Акустика и акустические устройства

Для обеспечения равномерного распределения звуковой энергии: по всей площади зрительного зала громкоговорители должны иметь наклон (по горизонтали и вертикали). Равномерное распространение звука обеспечивается, если рабочие оси громкоговорителей пересекаются на расстоянии 2/3 длины зрительного зала.

При установке громкоговорителя необходимо предусмотреть возможность свободного доступа к его задней стенке.

Установленные громкоговорители должны быть задрапированы, что предохраняет головки от пыли и улучшает архитектурное оформление зала.

Нельзя устанавливать громкоговорители в сырых местах, так как в этом случае происходит деформация диффузора, центрирующей шайбы, что приводит к дребезжанию громкоговорителей.

Дребезжание, наиболее часто встречающаяся неисправность громкоговорителей, может возникнуть при неправильном центрировании; деформации, сползании витков звуковой катушки; засорении кольцевого воздушного зазора; разрыве диффузора; вибрации близко расположенных и плохо укрепленных предметов; перегрузке громкоговорителя; нелинейном искажении в усилителе. Эти дефекты устраняются несколькими способами. Порванный конус диффузора подклеивают папиросной или промокательной бумагой с обеих сторон клеем БФ-2. Диффузор, порванный на гофре, подклеивают марлей резиновым клеем или клеем БФ-6.

Для устранения сползания витков звуковой катушки их плотно укладывают на место и катушку два-три раза покрывают нитро-клеем, АК-20 или цапонлаком.

При деформации звуковой катушки ее плотно надевают на деревянную болванку соответствующего диаметра и два-три раза покрывают нитроклеем. Болванку вытачивают из твердых пород дерева (дуба, бука), предварительно пропитанного маслом или парафином. Затем на ней делают продольный разрез и зажимают на токарном станке так, чтобы края прорези сошлись. После этого наружный диаметр болванки точно подгоняют под внутренний диаметр звуковой катушки. Продольный разрез придает болванке упругие свойства, а пропитка маслом или парафином исключает приклеивание звуковой катушки к болванке. Катушку снимают с болванки после полного высыхания клея.

Кольцевой воздушный зазор чистят деревянной палочкой, а металлические опилки затем удаляют стальной иглой. Иногда кольцевой зазор чистят, заливая в него расплавленный парафин. Застывший парафин удаляют деревянной палочкой вместе с мелкой металлической стружкой. Разбирать магнитные системы громкоговорителей при чистке зазора или в других случаях не рекомендуется.

При резких громких звуках (выстрелах, взрывах) необходимо уменьшить уровень громкости, так как большая амплитуда колебаний может привести к повреждению подвижной системы громкоговорителя. Кроме того, при эксплуатации громкоговорителя следует учитывать, что вызывать дребезжание могут плохо закрепленные детали.

Установку звуковой катушки в центре кольцевого воздушного зазора -- центрирование производят перемещением центрирующей шайбы. В заводских условиях центрирование громкоговорителей производится на специальных станках, а при эксплуатации -- на слух, кольцом пленки, постоянным током. Для выполнения центрирования необходимо иметь некоторые навыки.

При центрировании на слух головку громкоговорителя помещают на столе диффузором вверх и ослабляют гайки крепления центрирующей шайбы. Правой рукой периодически равномерно нажимают на вершину конуса диффузора, а левой, осторожно перемещая центрирующую шайбу, находят положение, при котором звуковая катушка не будет задевать за керн и фланец. Удерживая центрирующую шайбу в этом положении, осторожно завинчивают гайки крепления. Качество регулировки проверяют на слух.

Центрирование кольцом пленки может производиться только в головках громкоговорителей, подвижная система которых не имеет сферического колпачка или высокочастотного излучателя. Ослабив гайки крепления центрирующей шайбы, между каркасом звуковой катушки и керном вставляют кольцо пленки (в один слой), благодаря чему звуковая катушка будет удалена от любой точки керна на одинаковое расстояние. Затем закрепляют в таком положении центрирующую шайбу, вынимают кольцо пленки и проверяют качество центрирования на слух.

При центрировании постоянным током ослабляют гайки крепления центрирующей шайбы и к звуковой катушке подключают источник постоянного тока напряжением 8--10 В. В результате взаимодействия постоянного магнитного поля и звуковой катушки, по которой проходит постоянный ток, катушка сама устанавливается в центре кольцевого воздушного зазора. Придерживая центрирующую шайбу, осторожно закрепляют гайки, отключают источник постоянного тока и проверяют качество центрирования на слух.

Рис.4. Фазирование головок громкоговорителя.

а - фиффузорного, б - рупорного.

Под фазированием понимают такое включение звуковых катушек, при котором подвижные системы всех громкоговорителей в зале при подведении к ним сигнала с выхода усилительного устройства перемещаются в одинаковых направлениях. Фазирование выполняют, если в зрительном зале работает два или более громкоговорителя.

Неправильное фазирование вызывает уменьшение громкости звука на определенных частотах, что приводит к частотным искажениям.

При фазировании низкочастотных головок звуковые катушки громкоговорителей соединяют последовательно (рис. 6) или параллельно, в зависимости от того, как они подключены к звуковоспроизводящему устройству при работе, и подключают к авометру, подготовленному для измерения минимального постоянного тока. Затем по очереди нажимают на диффузоры громкоговорителей, заставляя их перемещаться. При этом звуковая катушка пересекает магнитные силовые линии и в ее витках индуктируется ЭДС, направление которой зависит от направления магнитного поля и направления движения звуковой катушки. Если стрелка прибора отклоняется в одну и ту же сторону, то громкоговорители сфазированы и готовы к работе. Если стрелка прибора отклоняется то в одну, то в другую сторону, громкоговорители не сфазированы и для фазирования необходимо на любой головке громкоговорителей поменять местами соединительные провода.

Фазирование можно выполнить с помощью постоянного тока. Для этого подключаем соединенные звуковые катушки к источнику постоянного тока напряжением 6--10 В, включая в сеть выключатель К. При замыкании или размыкании цепи следим за направлением диффузоров. Если диффузоры перемещаются в одну сторону (при замыкании выталкиваются), то громкоговорители сфазированы. Если движения диффузоров противоположны, то необходимо на одном из них поменять местами соединительные провода.

Фазирование можно также произвести прослушиванием частоты 100 Гц. Для этого открывают кожух фотоэлектронного умножителя, благодаря чему на него попадает световой поток от лампы освещения, питаемой переменным током, а регулятор громкости ставят в среднее положение. Меняя местами соединительные провода, подходящие к звуковой катушке одной из головок, находят положение, соответствующее максимальной громкости звука.

При фазировании высокочастотных головок на их горловины кладут по листочку бумаги, звуковые катушки подключают к источнику постоянного тока 10--15 В, в цепи которого имеется выключатель. При включении цепи питания наблюдают за положением листочков. Если оба листочка притянулись к горловине или оба отлетели, то головки сфазированы. Если один листочек притягивается к горловине, а второй отлетает, то головки не сфазированы.

Громкоговорители периодически снимают для осмотра, ремонта или центрирования. Во избежание повторного фазирования необходимо при отключении головок провода и зажимы пометить цветным, цифровым или буквенным кодом (каждый провод и соответствующий зажим отмечают одинаковыми цифрами или буквами). Штепсельные разъемы должны иметь несимметричное расположение штырьков.

Неисправности головок громкоговорителей и их ремонт.

Наиболее частые неисправности головок громкоговорителей следующие:

обрыв в цепи звуковой катушки (обрыв гибкого провода; обрыв звуковой катушки);

перегорание звуковой катушки вследствие перегрузки;

призвуки в виде дребезжания вследствие отклеивания деталей подвижной системы (диффузора, колпачка, шайбы, подвеса), сползания витков катушки, некачественного крепления гиб кого провода и т.п.;

заклинивание подвижной системы в рабочем зазоре вследствие сползания витков катушки или ее перегорания.

Обрыв в цепи звуковой катушки выявляют последовательной прозвонкой элементов цепи (гибких выводов между контактным лепестком и катушкой, самой катушки). Внешний обрыв устраняют зачисткой оборванных проводников с последующей пайкой. В случав внутреннего обрыва катушки головку разбирают и в зависимости от состояния катушки устраняют обрыв пайкой или катушку перематывают. Моточные данные наиболее часто используемых головок громкоговорителей приведены имеются в справочной литературе.

Разборку звуковых катушек громкоговорителей производят в следующей последовательности:

Отпаять гибкие выводы от звуковой катушки на диффузоре,

Обильно смачивая ацетоном (с помощью пипетки, рейсфедер или кисточки), поочередно отклеить пылезащитный колпачок центрирующую шайбу и подвес (вместе с диффузором).

Отделить подвижную систему от диффузородержателя.

Осмотреть звуковую катушку.

В зависимости от состояния катушки и каркаса возможны следующие варианты ремонта:

* восстановление обрыва пайкой;

подклейка сдвинутых витков катушки;

перемотка катушки без замены каркаса;

* замена каркаса и намотка новой катушки.

При замене каркаса требуется особая аккуратность и дополнительные приспособления для обеспечения строгой соосности каркаса и диффузора. Каркасы звуковых катушек изготавливают из бумаги ЭН-70 толщиной 0,07 мм, К-120Н толщиной 0,12 мм, К-080Н толщиной 0,08 мм, медной ленты ДПРНТ 0,05x40, фольги А6-М-0,05х24. В некоторых головках зарубежного производства также встречаются каркасы, представляющие собой незамкнутое кольцо из дюралюминиевой фольги. Перемотка звуковой катушки без замены каркаса. Для перемотки звуковой катушки достаточно иметь несложное приспособление (рис.5) из металлического (пластмассового) стержня (диаметром 15...20 мм, длиной 120...150 мм и с резьбой М6...М10 в торце), двух конусов 2 со сквозными отверстиями для болта, обечайки с осевой прорезью 3 и болта 4.

Рис.5. Приспособление для намотки звуковых катушек громкоговорителей

Обечайку 3 вставляют в каркас звуковой катушки 5 и слегка зажимают между конусами 2 (рис.5) болтом 4 так, чтобы обечайка слегка разжалась и зафиксировала каркас катушки. Перед намоткой замеряют расстояние от диффузора 6 до начала обмотки и освобождают каркас звуковой катушки от старой обмотки, растворив клей БФ-4 спиртом (клей АК-20 -- ацетоном) и; удаляют с него остатки клея. После чего на обмоточное пространство каркаса наносят ровным слоем толщиной примерно равной половине диаметра обмоточного провода жидкий клей БФ-4 и сразу наматывают аккуратно виток к витку первый слой катушки. Снова наносят клей и мотают второй слой катушки. Затем покрывают всю обмотку клеем ч продолжают вращать ее еще несколько минут, чтобы клей начал отвердевать не образуя подтеков. Катушку вместе с диффузором оставляют на трубке до полного высыхания. Клей АК-20 высыхает за 1 час, а БФ-4 -- за 4...6 часов.

Сборка головки

Сборку головки производят в следующей последовательности

-тщательно очистить склеиваемые поверхности от остатков клея; припаять к гибким выводам концы звуковой катушки и закрепить их на диффузоре клеем 88Н или «Момент»;

- вставить в каркас катушки центрирующую обечайку из фотопленки по всему периметру каркаса;

- -промазать приклеиваемые поверхности центрирующей шайбы и подвеса клеем 88Н или «Момент»;

- состыковать подвижную систему с магнитной, прижать склеиваемые поверхности;

- временно удалить центрирующую фотопленку, слегка нажимая на диффузор, убедиться, что катушка ходит в зазоре свободно, не затирая;

- снова вставить центрирующую фотопленку и оставить сушиться на 24 часа при нормальной температуре;

- удалить центрирующую фотопленку, проверить подвижную систему на затирание;

- припаять гибкие выводы к контактным лепесткам;

- приклеить пылезащитный колпачок;

- проверить головку в работе на отсутствие «замираний» на малом сигнале и на отсутствие дребезга на большом.

Лекция 10. Акустическое оформление

Вопросы: 1. Акустическое оформление.

2. АС с фазоинвертором.

3. АС с пассивным излучателем.

4. Конструктивные особенности корпусов АС.

Литература: 1. А.В. Выходец и др. «Радиовещательная и электроакустическая аппаратура».Москва. « Радио и связь» 1989г.

2. А.С.Ефимов и др. «Акустика» Справочник. Москва. «Радио и связь» 1989 г.

3. А.А.Заикин, В.М.Карташова, Ю.А.Ружицкий «Электроакустические и усилительные устройства» Москва. «Высшая школа».1984 г.

4. А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

5. Г.Кинг «Руководство по звукотехнике» Ленинград «Энергия» 1980 г

Акустическое оформление отличается большим разнообразием: щит (акустический экран, Infinity Baffle), открытый ящик (свернутый щит, Free Air), закрытый ящик (Closed Box, Dosed box -- прямоугольной формы, трапецеидальной формы, шар, труба, коническая труба, бочкообразной формы, трапецеидальной формы с треугольно-овальным сечением, улитка и т.п.), закрытый ящик с фазоинвертором (ФИ, Vented Box, Ported Box, Bass Reflex), «закрытый» фазоинвертор (Single-Tuned Bandpass Box), двойной «закрытый» фазоинвертор (Parallel Double-Tuned Bandpass Box, Series Double-Tuned Bandpass Box), закрытый ящик с пассивным излучателем (ПИ, Passive Radiator Box), панель акустического сопротивления (ПАС, Aperiodic Membrane), лабиринт, рупор и т.д. С целью расширения направленности СЧ- и ВЧ-головок их располагают диффузором вверх (вниз), а соосно с ними закрепляют отражающие конусы специальной формы. Другой способ расширения диаграммы направленности заключается в установке нескольких ВЧ-головок под углом друг к другу. Для этой же цели применяют акустические линзы, концентраторы и специальные рассеиватели. Иногда для уменьшения габаритов трех полосных АС НЧ-головку устанавливают на широкой задней стенке, при этом переднюю панель выполняют трехгранной, а СЧ- и ВЧ-головки устанавливают на узкой средней грани. Такое расположение НЧ -головок благоприятно сказывается на уменьшении дифракционных искажений.

Наибольшее распространение получили закрытый ящик, фазоинвертор, закрытый ящик с пассивным излучателем. В последнее время все чаще используют новые разновидности ФИ («закрытый» ФИ и двойной «закрытый» ФИ), а также всенаправленные системы, приближающиеся к точечному источнику звука.

Из-за сложности расчета и конструктивного выполнения наименьшее распространение получили рупорные громкоговорители. Они же, как правило, являются и наиболее громоздкими. По конструктивному исполнению рупорные громкоговорители подразделяются на конические (воронки), гиперболические, параболические и экспоненциальные. Из них экспоненциальные считаются самыми музыкальными.

Для воспроизведения самых низких частот расчетная длина рупора должна составлять около 10м. Для большей музыкальности внутренние поверхности корпуса покрывают слоем натурального воска. В качестве громкоговорителей хорошо подходят такие широкополосные головки: английские Lowther ЕХЗ или ЕХ4, немецкие типа AER mkl, а также японские типа Fostex чувствительностью 98... 102 дБ/Вт ^1/2м.

Основные параметры НЧ-головок для расчета акустического оформления

Исходными данными для расчета акустического оформления под имеющуюся в наличии НЧ-головку являются следующие ее параметры:

*резонансная частота f_S

*полная добротностьQ_TS

*эквивалентный объем головкиV_AS.

Рис.1

Если они неизвестны, то их необходимо определить следующим образом. Собирают схему согласно рис.1. Генератор желательно с выходным сопротивлением не более 50 Ом. Сопротивление резистора может быть в пределах 1...2 кОм. Вольтметр высокоомный, входное сопротивление не менее 30 кОм. Головку кладут диффузором вверх на стоящий в середине комнаты табурет. Плавно перестраивая частоту генератора вблизи ожидаемой резонансной частоты f_S и поддерживая его выходное напряжение постоянным (например, 1 В), определяют частоту резонанса по максимуму напряжения U_S на головке. При использовании резистора 1 кОм и поддержании напряжения генератора 1 В напряжение на головке в милливольтах примерно равно сопротивлению головки в Омах на данной частоте. Затем, увеличивая частоту генератора, по минимуму напряжения на головке находят частоту f_MIN и фиксируют соответствующее ей напряжение U_МИН После этого, вычислив вспомогательное напряжение U₁ = , находят частоты ниже и выше f_S (на рис. f₁ и f₂, соответственно), при которых напряжение на головке равно U₁ и определяют механическую добротность по формуле:

(1)

Рис. 2

Электрическая добротность головки без оформления равна

(2) где

Z_S = (R_S + R_ES )/R_E = R_S/R_E =U_S/U_MIN

R_E -- электрическое сопротивление головки на постоянном токе;

R_ES-- механическое сопротивление головки на резонансной частоте.

При определении параметров головки принимается допущение, что головка полностью описывается своей эквивалентной схемой замещения в соответствии с рис.3,а. Здесь R_E и L_K -- соответственно, сопротивление и индуктивность звуковой катушки головки, емкость С представляет собой электрический эквивалент массы m подвижной системы головки, индуктивность L -- электрический эквивалент гибкости G подвижной системы головки, a R_A -- электрический эквивалент потерь на излучение и трение узла подвеса. Численные значения эквивалентов пересчитаны к электрическому входу головки. В области нижних частот, на которых и определяются параметры головки, влиянием индуктивности L_K звуковой катушки головки на частотную и временную характеристику можно пренебречь. В результате эквивалентная схема головки упрощается и принимает вид, представленный на рис.3,б. Поэтому R_ES в формуле(2) представляет собой электрический эквивалент потерь на излучение и трение узла подвеса и равно R_A (рис.3). На рис.2 этому сопротивлению соответствует разность Z_S - R_E .

Полную добротность рассчитывают по формуле: (3)

, (3)

Рис. 3.а Эквивалентная схема головки: а -- полная

Рис. 3.б Эквивалентная схема головки б -- без учета индуктивности звуковой катушки

Полную добротность можно определить и из кривой полного сопротивления головки (рис. 2) по формуле: (4)

, (4)

Результаты вычислений Q_TS по формулам (3) и(4) совпадают, однако (4) более критична к точности измерений f_S и f₁. Следует иметь в виду, что на электрическую добротность Q_ES влияет электрическое сопротивление дросселя фильтра:

, (5)

где R -- сопротивление дросселя.

Поэтому при расчете АС полную добротность головки необходимо считать с учетом сопротивления дросселя.

Соотношение полных добротностей и резонансных частот головок в закрытом корпусе и без оформления связаны выражением: (6)

, (6)

где G₀ и G_B -- гибкость подвижной системы головки и воздуха в ящике, соответственно;

S₀ и S_B -- упругость подвижной системы головки и воздуха в ящике, соответственно.

Гибкость подвижной системы головки G₀ (в метрах на Ньютон)

G₀= д/W, м/Н,

где W -- вес дополнительного немагнитного груза, положенного на диффузор, Н (обычно в пределах 2...4 Н или 0,2...0,4 кг),

д -- смещение диффузора в м.

Более точно G₀ можно определить по формуле (7):

, м/Н, (7)

где М -- масса прикрепленного вблизи звуковой катушки груза, кг,

(обычно пластилин массой 5... 10 г);

f_S¹ -- резонансная частота головки с дополнительным грузом, Гц.

Объем ящика V связан с гибкостью воздуха в нем G_B и эффективным диаметром диффузора D _Д следующим соотношением:(8)

V = 0,875? G_B?D_Д⁴ , дм³. (8)

Откуда гибкость воздуха в ящике:

, м/Н. (9)

«Упругость воздуха» и «упругость подвижной системы» являются обратными величинами «гибкости воздуха» и «гибкости подвижной системы» головки, соответственно.

Для определения эквивалентного объема головки последовательно определяют ее резонансную частоту без оформления f_S и далее резонансную частоту f_C этой же головки, помещенной в закрытое оформление известного объема V. Тогда эквивалентный объем V_AS можно определить по формуле:

, (10)

Относительный объем оформления:

, (11)

где t = f_c/f_s -- относительная частота.

Таким образом, зная эквивалентный объем динамической головки и ее резонансную частоту, можно рассчитать резонансную частоту головки f_S в закрытом оформлении заданного объема V:

. (12)

Из формулы (12) вытекает, что частота резонанса головки, установленной в закрытый корпус объемом V_AS, возрастает в 1,41 раза, т.е. f_C = 1,41 f_S а в корпусе вдвое меньше V_AS -- в 1,73 раза, и т.д.

Эквивалентный объем головки V_AS -- такой объем закрытого ящика, гибкость которого G_B равна гибкости подвижной системы головки G_B, т.е. G_B = G_o.

Чем больше гибкость подвеса головки, тем больше эквивалентный объем V_AS и тем больших размеров требуется корпус АС с ФИ.

Сопротивление звуковой катушки на постоянном токе R_E примерно на 10... 15% меньше номинального сопротивления. Значения параметров головки 35ГДН-1 (25ГД-26Б) приведены из разных источников.

Для определения подходящего акустического оформления для имеющихся в наличии НЧ-головок следует руководствоваться соотношениями:

f_S/Q_TS < 50 -- закрытый ящик;

f_S/Q_TS > 90 -- фазоинвертор.

Открытое акустическое оформление рекомендуется для головок с Q_TS > 1.

Для закрытых АС пригодны головки с Q_TS < 0,8... 1,0; для ФИ (фазоинвертор) -- менее 0,6.

Импеданс головки или АС можно измерить и с помощью магазина сопротивлений. В данном случае, подавая сигнал на головку (АС) через магазин сопротивлений и одновременно измеряя напряжение на головке (АС) и на магазине, устанавливают такое сопротивление магазина, при котором напряжения равны (или

U_r = U_ГЕН/2) -- это и есть модуль электрического сопротивления головки на данной частоте.

Характеристику входного сопротивления громкоговорителя можно снять и подавая сигнал от УМЗЧ через сопротивление R = 5... 10 Ом. Полное сопротивление рассчитывают по формуле:

,Ом (13)

где R -- сопротивление резистора, включенного последовательно

с головкой;

U_r -- падение напряжения на головке (АС);

Uвых ~ выходное напряжение усилителя.

Открытое акустическое оформление.

Открытым акустическим оформлением головки называется такое ее оформление, при котором задняя сторона звукоизлучающей поверхности диффузора головки не изолирована акустически от передней. В качестве, открытого оформления применяется либо плоский экран (щит), либо ящик, обычно имеющий форму параллелепипеда, с перфорированной задней стенкой.

Открытое акустическое оформление наиболее распространено как в нашей стране, так и за рубежом. Оно исполняется в телевизорах, переносных радиоприемниках всех классов, кассетных магнитофонах, абонентских громкоговорителях, а также в большей части катушечных магнитофонов, стационарных радиоприемников и электрофонов. Достоинство открытых АС -- простота и, кроме того, в них не имеет места повышение резонансной частоты по сравнению с резонансной частотой применяемой головки, а принципиально возможно и понижение этой частоты, что выгодно отличает открытую АС, например, от закрытой. Недостаток открытой системы - сравнительно большие размеры этого оформления, когда требуется воспроизведение низших частот звукового диапазона.

Наиболее простой вид открытого оформления -- плоский экран. Даже при сравнительно небольших его размерах воспроизведение низких частот значительно улучшается. Вместе с том в области средних и особенно высоких частот экран уже не оказывает существенного влияния. Конструктивно экран рекомендуется выполнять в виде толстой доски или фанеры толщиной 10--20 мм, в которой вырезано отверстие по периметру диффузородержателя головки, куда вставляется головка. Экран выполняется квадратной или прямоугольной формы. Соотношения сторон прямоугольного экрана могут колебаться в довольно широких пределах. Предпочтительное отношение сторон прямоугольного экрана в пределах от 2 : 1 до 3 : 1.

Размещать головку рекомендуется в центре прямоугольного экрана. Смещение от центра уменьшает звуковое давление АС и ухудшает ее частотную характеристику Рис.1. Для квадратных экранов некоторое смещение места установки головки улучшает частотную характеристику, поскольку при симметричном креплении головки на частотной характеристике появляется глубокий провал в области средних частот. Практически конструкции плоского экрана могут выполняться, например, в виде щита, помещаемого в углу комнаты. Установка щита с головкой в углу комнаты позволяет уменьшить его размеры. Щит в виде треугольника или трапеции подвешивают, например, в углу у потолка. Между верхней кромкой щита и потолком необходимо оставить широкую щель, а пространство позади щита рекомендуется заполнить звукопоглощающим материалом. Головку необходимо защитить от возможных повреждений и пыли.

Встречаются описания АС, в которых головка вставляется в отверстие в стене комнаты, т. е. стена является экраном.

Принципиально такое конструктивное решение выгодно, но при этом не надо забывать, что звучание АС будет иметь место не только в той комнате, в которой АС предназначена работать, но и в той, куда выходит задняя поверхность головки, что, конечно, не всегда желательно. Если же такое решение, возможно, то оно дает заметное улучшение частотной характеристики и качества звучания, особенно на низких частотах.

Рис.1. Частотная характеристика головки при ее центральном расположении в прямоугольном экране

Желателен такой экран, который позволил бы на нижней граничной частоте воспроизводимого диапазона получить такой же уровень звукового давления, как и на верхней границе поршневого диапазона frp.B зоны его действия, т. е. выровнять звуковое давление на нижних и средних частотах. Значение f _ГР может быть найдено из (1).

, (1)

где: с-скорость звука при нормальных условиях -343 м/с,

d- диаметр диффузора. Для эллиптических головок вместо d надо подставлять , где d₁ и d₂ соответствующие значения большой и малой осей эллипса.

Выбор нижней граничной частоты зависит от добротности применяемой головки. Ранее отмечалось, что форма частотной характеристики головки при Q<l,93 монотонно возрастает, а при Q? l,93 на частотной характеристике появляются провал на частоте щ₂ и пик на частоте щ₁. Добротность головки при помещении ее в плоский щит практически не меняется. Неравномерность частотной, характеристики при Q<1,93 и при правильном выборе размеров экрана определяется только спадом в область более низких частот. Поэтому за нижнюю граничную частоту при Q<1,93 выбирают резонансную частоту головки щ₀. При Q?1,93 за нижнюю граничную частоту обычно выбирают частоту пика щ₁ частотной характеристики головки с двухсторонним излучением и неравномерность частотной характеристики в этом случае определяется провалом на частоте ю₂. Однако при этом несколько сужается расчетный диапазон воспроизводимых частот по сравнению с его значением при Q<1,93.

Для устранения этого недостатка предлагается другой способ выбора нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона, позволяющий снизить ее значение. Суть его заключается в том, что нижняя граничная частота выбирается на частоте щ <щ₁, на которой уровень частотной характеристики равен ее уровню на частоте провала щ₂ (рис. 2). В зависимости от значения Q эта частота может быть несколько выше или ниже. Исследования показали, что наиболее рациональная добротность головки для открытых АС равна 2,4. При этом нижняя граничная частота открытой АС f_ГР совпадает с резонансной частотой головки щ.

Рис.2 Типичная частотная характеристика открытого акустического оформления в области низких частот при Q>1,93.

Рис.3 Зависимость f_ГР.Н. от Q

Рис.4. Зависимость ц(Q) от Q

Площадь экрана, исходя из обеспечения наиболее равномерной характеристики, может быть определена как

, (2)

где ц(Q) -- некоторая функция от Q, при 1,93<Q<2,5 приближенно равна Q; fр.н-- определяется по рис. 3. При Q<1,93 выражение (2) имеет вид:

, (3)

Обычно экраны выполняют меньших размеров, чем рекомендовано в (2) и (3). Тогда на нижней граничной частоте следует ожидать спада частотной характеристики на:

, (4)

где S -- вычисленная по (28) и (29) площадь экрана; S' -- фактическая площадь экрана.

Пример расчета экрана. Пусть требуется рассчитать размеры экрана для головки 0,5ГД-37 со следующими параметрами: fо = = 315 Гц; d = 0,08 м; Q = 2,3; m₀=l,2-10^-3 кГ, если допустимый спад частотной характеристики на fгр.н равен 6 дБ. (Величина m, будет использована в следующем примере.)

1. Из (1) находим: .

2. По рис. 3 определяем: 3. ц(Q) ~ Q = 2,3

Площадь экрана по (2):

При допустимом спаде частотной характеристики на нижней граничной частоте, равном 6 дБ, из (2) находим: S' = 0,017 м².

Выбираем размеры экрана равными (0,17x0,1) м².

Открытый корпус. Самый распространенный вид открытого акустического оформления -- ящик, у которого задняя стенка имеет ряд сквозных отверстий или же полностью отсутствует. Головка устанавливается обычно на передней панели ящика. Его внутренний объем, как правило, используется для размещения, деталей электрической схемы, например радиоприемника. Выносные АС в виде открытых корпусов применяются реже. Акустическое действие, открытого оформления подобно действию экрана. Наибольшее влияние на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывает передняя стенка, т. е. та, на которой крепится головка. Вопреки довольно распространенному мнению боковые стенки открытого оформления влияют на характеристику открытого оформления мало. Поэтому не рекомендуется делать открытое оформление глубоким, а надо стараться по возможности увеличивать переднюю панель оформления На рис. 5 показаны различные частотные характеристики АС с открытым оформлением в зависимости от его глубины. Обычно открытое оформление выполняют такой глубины, чтобы головка помещалась в нем с некоторым технологическим запасом (20% от глубины головки). При этом «вклад» боковых стенок в суммарное звуковое давление открытого корпуса составляет 1-3 дБ.

Однако было установлено, что наличие боковых стенок создает эффект снижения резонансной частоты открытого оформления с увеличением его глубины, которое происходит за счет присоединения части массы воздуха внутри оформления массе подвижной системы головки. Резонансная частота в этом случае будет равна:

(5)

а, глубина оформления для получения нужной резонансной частоты:

(6)

Рис.5. Частотная характеристика головки в открытом оформлении с разной глубиной h.

Конечно, если сделать оформление очень глубоким, то оно может действовать как труба, резонирующая на ряде частот, тем более низких, чем больше длина трубы. Естественно, что это нежелательно, поскольку такие резонансы являются причиной появления пиков и провалов на частотной характеристике АС.

Размеры передней панели, желательно иметь как можно больше. Ограничением здесь являются только соображения удобства размещения и пользования. Что касается места установки головки на передней панели, то рекомендации тут такие же, как при плоском экране.

Площадь передней панели открытого акустического оформления с учетом влияния глубины оформления h может быть найдена как

(7)

где ц (Q) и fгр.н. определяются так же, как в (2), однако необходимо учитывать, что вместо частоты f₀ необходимо подставлять частоту f₀₂, определяемую из (5).

При Q<1,93 выражение (7) упрощается:

(8)

где f₀₂ определяется из (5).

Имеется еще один элемент открытого оформления, который может влиять на работу открытой АС. Это задняя стенка оформления, которая служит для защиты элементов схемы радиус устройства. Она должна быть, по крайней мере, такой, чтобы не ухудшать акустические параметры системы. На рис. 6 приведены частотные характеристики АС с открытыми корпусами с задними стенками, выполненными из различных материалов (с разной их толщиной). Как видно, материал и толщина задней стенки сильно влияют на частотную характеристику открытой системы. Акустические параметры открытой АС зависят также и от размеров и числа перфораций (отверстий) в задней стенке.

Рис.6. Частотные характеристики головки в открытом оформлении с задней стенкой, выполненной из:

2,3 - слои поролона толщиной 5 и 15мм, 4 - электрокартона толщиной 3 мм,

5 - электрокартона толщиной 3 мм со слоем поролона толщиной 20 мм,1 - ящик без задней стенки.

Конфигурация оформления оказывает большое влияние на форму частотной характеристики на средних частотах, вызывая появление многочисленных пиков и провалов при неудачной конфигурации. Наиболее благоприятная форма -- сфера.

Пример расчета. Требуется рассчитать размеры передней панели открытого оформления глубиной Я=80 мм. для головки 0,5ГД-37 (см. предыдущий пример).

1. Из (1) находим граничную частоту:

По (5) определяем резонансную частоту головки в открытом

оформлении с учетом его глубины:

По графику на рис. 3 находим нижнюю граничную частоту воспроизводимого диапазона при Q = 2,3; f _ГР.Н.~260 Гц.

По графику на рис. 5 находим разность уровней пик -- провал:

N=1,0 дБ.

5. ц(Q) = Q = 2,3.

6. По (8) определяем площадь передней панели оформления:

При спаде на частоте f_ГР.Н. равном 6 дБ, по (4) находим, что

S' = 0,02 м²

7. Выбираем размер передней панели равным 0,17?0,12 м²

Закрытый ящик

Закрытый ящик эквивалентен акустическому ФВЧ второго порядка (крутизна спада в области НЧ -- 12 дБ/окт., из них 6 дБ/окт. дает корпус и 6 дБ/окт. -- сама НЧ-головка). Потенциал динамической головки в области НЧ используется только на 25...40%. Упругость воздуха, заключенного в закрытом ящике, повышает основную резонансную частоту головки тем больше, чем больше диаметр диффузора головки и меньше объем ящика. Поэтому в таком оформлении желательно использовать головки с диаметром диффузора до 200 мм. Объем закрытого ящика, мало сдвигающего частоту основного резонанса, можно рассчитать по формуле:

V= 125-D_д², см³, (14)

где D_Д -- эффективный диаметр диффузора, см (без гофра).

Полная добротность НЧ-головок (с учетом сопротивления индуктивности кроссовера, соединительного кабеля и выходного сопротивления УМЗЧ), предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8... 1,0. В противном случае она будет раздемпфированной. Минимальная неравномерность АЧХ закрытой АС имеет место при добротности

Для закрытой АС небольшого объема (V_AS/V> 4), т.е. «компрессионного» типа, частота резонанса головки f_s должна быть всегда ниже резонанса в системе f_с не менее, чем в 2 раза; полная добротность Q_TS также должна быть как минимум в 2 раза ниже добротности головки в системе Q_TC . При этом Q_TC достигает относительно большого значения (Q_TC = 1...2).

Преимущество: более низкая граничная частота на низших частотах.

Недостаток: ухудшение переходной характеристики (склонность к колебаниям) и возникающее «подчеркивание» звуков середины диапазона низких частот вследствие небольшого демпфирования.

Довольно часто для получения глубокого баса и выравнивания характеристики используют 2 НЧ-головки, расположенные рядом. Две однотипные головки эквивалентны одной с диаметром в 1,4 раза большим и гибкостью вдвое меньшей. При параллельном соединении, благодаря взаимной связи, резонансные частоты обоих головок сливаются в одну:

, (15)

При последовательном соединении этого не происходит, что способствует расширению области низших частот. На самых низших частотах отдача двух головок почти удваивается. При этом звуковое давление (пропорционально квадрату площади диффузора) возрастает в 4 раза.

Иногда для уменьшения четных гармоник одну из спаренных головок устанавливают тыльной стороной наружу. При этом электрически их включают в противофазе. Образование четных гармоник связано с захождением звуковой катушки в области пониженной однородности магнитной индукции в двух крайних точках ее траектории. Включение головок, таким образом, в значительной степени компенсирует четные гармоники. Кроме того, установка головок одна над другой в вертикальной плоскости делает более острую направленность в вертикальной плоскости, что способствует минимизации отражений от пола и потолка.

Без заполнения процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления адиабатический, а с заполнением -- изотермический, что эквивалентно увеличению объема. Добавляя звукопоглощающий материал, определяют резонансную частоту. Как только частота резонанса перестает снижаться, добавление материала прекращают. Следуй иметь в виду, что заполнять объем оформления можно до 60%, выше нецелесообразно.

Заполнение закрытого корпуса звукопоглощающим материалом:

*увеличивает гибкость воздуха в корпусе (максимально на 25%),что эквивалентно увеличению объема (максимально в 1,4 раза)

*снижает резонансную частоту закрытой АС в пределе на 20%

*приводит к увеличению КПД (максимально на 15%);

*вносит дополнительные потери, что способствует уменьшению механической добротности Q_MS примерно в 2 раза;

*может приводить к увеличению присоединенной массы подвижной системы до 20% за счет колебаний части материала близко расположенного возле тыльной стороны диффузора.

Звукопоглощающий материал должен быть пористым, например вата (хлопчатобумажная, минеральная, стеклянная, капроновая), листовой поролон (пенополиуретан, при, толщине 10 мм поглощение звука до 60 %), войлок, дакрон (синтепон) малой плотности и т.п Толщина звукопоглощающего покрытия в виде матов, наносимых на внутренние поверхности, кроме панели с головками, должна быть не менее 20...30 мм. Хорошие результаты дает подвешивание звукопоглотителя в виде валика или шара в центре ящика.

Многие любители музыки считают, что закрытые АС лучше, чем ФИ передают характер звучания акустических музыкальных инструментов в низкочастотном спектре. Бесспорным достоинством закрытых систем является простота их конструкции, не требует настройки по сравнению с Фи системами имеет меньшие фазовые и переходные искажения, имеют меньшую амплитуду смещения подвижной системы головки в области инфранизких частот.

Для достаточно хорошего воспроизведения низших частот закрытые АС требуют большого объема оформления, что приводит к большим габаритам и весу.

Например, определим объем закрытого оформления для головки 35ГДН-1-4, имеющей частоту основного резонанса f_S = 33 Гц, полную добротность Q_TS = 0,503 и эквивалентный объем V_AS = 50,6 л.

Для получения оптимального значения Q_TC = 0,71 получим из (12):

=46,6 Гц

Оптимальный объем корпуса V из (10):

=50,9 л

С учетом демпфирующего материала объем корпуса может быть уменьшен в 1,15...1,2 раза, т.е до V = V/1,2 = 50,9/1,2 = 42,5 л. В значительной степени этого недостатка можно избежать в АС с ФИ.

АС с фазоинвертором (ФИ)

Принцип действия АС с ФИ заключается в том, что, благодаря наличию дополнительного акустического колебательного контура, настроенного в пределах ±2/3 октавы относительно резонанса головки, звуковое давление в отверстии сдвинуто на угол, близкий к 180°, по отношению к давлению от задней стенки диффузора. ФИ -- аналог акустического ФВЧ третьего порядка (18 дБ/окт.). Иногда, в зависимости от конструктивного исполнения, может быть близок к фильтру второго порядка («закрытый» ФИ или ФИ с закрытой НЧ-головкой -- корпус АС разбит на два объема с помощью перегородки, в которой установлена НЧ-головка, а в одном из отсеков - труба фазоинвертора) или к фильтру четвертого порядка (двойной «закрытый» ФИ, в котором труба фазоинвертора установлена в каждом отсеке, а НЧ-головка установлена на перегородке внутри корпуса). Импульсная характеристика обычного ФИ несколько хуже, чем у закрытого корпуса, требует применения в УМЗЧ ФВЧ, срезающего инфранизкие частоты (subsonic filter). «Закрытый» ФИ имеет достоинства обычного ФИ при сохранении переходных характеристик закрытого ящика. Достоинство двойного «закрытого» ФИ -- максимальная отдача (повышенный КПД) при малых смещениях подвижной системы. Многие известные в области электроакустики фирмы: Jamo, Paradigm, KEF, Electro-Voice, JBL, Bose, Peavey и др. используют такое оформление как для создания сабвуферов, так и для полных АС, воспроизводящих весь спектр подводимого сигнала.

Поведение АС с ФИ на низких частотах определяется в основном тремя параметрами:

*полной добротностью НЧ-головки (Q_TC с учетом сопротивления индуктивностей разделительного фильтра, выходного ее противления УМЗЧ и акустического оформления, т.е. степенью ее демпфирования;

*отношением эквивалентного объема головки V_AS к объем корпуса АС V;

*отношением частоты настройки фазоинвертора f_ф к резонансной частоте головки f_S

Управлять демпфированием можно:

*изменением выходного сопротивления УМЗЧ, например, ПОС по току для уменьшения или комбинированной ООС по току и напряжению для увеличения выходного сопротивления;

*применением ЭМОС;

*размещением определенным образом вблизи задней поверхности диффузора звукопоглощающего материала.

Бытует мнение, что системы с ФИ «бубнят», имеют «размытый» бас. Наиболее частые причины: использование головок с больше чем допустимо добротностью (Q_TS > 0,6) и настройка частоты фазоивертора без учета соотношения эквивалентного объема головки V_AS и объема ящика V. Неправильно сконструированная труба фазоинвертора, даже будучи настроенной на необходимую частоту, также может служить источником дополнительных искажений и потерь. Дополнительные призвуки возникают в случае, если скорость потока в трубе ФИ превышает 5% скорости звука, т.е. больше 17 м/с. В этом случае поток воздуха становится турбулентным. Минимальный диаметр трубы, с допустимой добротностью (Q_TS > 0,6) , рассчитывают по формуле:

D_min =, (16)

где V_D - объёмное смещение (м³). Для головки типа 35ГДН-1-4(8)

(аналог 25ГД-26Б) объёмное смещение V_D = 1,21 * 10^-4 м ³.

Поскольку этот параметр, как правило, неизвестен, то в первом приближении его можно считать пропорциональным квадратному корню из паспортной мощности. Другими словами, для 50-ваттной головки объём V_D по сравнению с объёмным смещением для головки типа 25ГД-26Б увеличится в = 1,41 раза, а для 10-ваттной - уменьшится в = 1,58 раз.

Частота настройки фазоинвертора f_ф связана с площадью отверстия (S) и объёмом корпуса (V) зависимостью:

f_Ф = = 5478, (17)

где с = 34400 см /с - скорость звука при 20⁰С и нормальном атмосферном

давлении 760 мм. рт. ст.

l_Э - эффективная длина трубы (см), которое складывается из фактической

длины трубы l и дополнительной части, образуемой за счёт краевых

эффектов:

l_Э = l + 0,825 , (18)

l - фактическая длина трубы, см;

S - площадь отверстия (см ²). Для конического отверстия за диаметр

отверстия принимают средний диаметр D_cp = ;

V - внутренний объем корпуса АС (см ³);

k - отношение сторон отверстия.

Для круглого и квадратного отверстия к = 1; для отверстия в виде щели

вокруг НЧ-головки k = ,

где D и d - внешний и внутренний диаметры соответственно.

В случае исполнения фазоинвертора из нескольких одинаковых труб в качестве эффективной длины берут длину одной трубы, а за площадь отверстия - сумму площадей всех отверстий.

Чувствительность передаточной функции фазоинверсной системы к расстройке ФИ довольно высока. Поэтому после сборки почти всегда возникает необходимость точной подстройки. Как правило, настройку фазоинвертора предусматривают либо изменением длины трубы (например, с помощью резьбового соединения), либо с помощью шторки (в случае короткого отверстия). Увеличение длины трубы до l=vS позволяет вдвое уменьшить объем корпуса. С другой стороны, во избежание образования стоячих волн в трубе, длина трубы не должна быть более c/f_S

Звукопоглощающего материала вблизи внутреннего отверстия фазоинвертора не должно быть (свободное пространство объемом 3...5 л организуют с помощью проволочных каркасов), т.к. чрезмерное демпфирование может привести к прекращению действия ФИ.

Рис.4 Модуль входного сопротивления АС с ФИ.

Настраивают ФИ в домашних условиях следующим образом.

Снимают характеристику полного сопротивления АС описанным выше способом. Настройка заключается в том, чтобы оба пика полного сопротивления (рис. 4) были примерно одинаковы по высоте. Кривая имеет минимум вблизи частоты настройки фазоинвертора f_ф. R_M-- сопротивление, обусловленное потерями в корпусе.

Правильно сделанный и настроенный ФИ не только улучшает частотную характеристику звуковоспроизведения в области низших частот по сравнению с закрытой АС того же объема, но и способствует уменьшению искажений (нелинейных и интермодуляционных, обусловленных конструкцией подвеса диффузора) компресионных головок вблизи частоты основного резонанса вследствие уменьшения амплитуды смещения диффузора головки в результате значительного акустического сопротивления ФИ на частоте резонанса Искажения же обычных головок, вызванные недостаточной жесткостью диффузора, наоборот, увеличиваются.

Следует отметить, что при сближении отверстия и головки суммарное сопротивление излучения возрастает и тем самым увеличивается создаваемое системой звуковое давление (возрастает КПД) В этом смысле, идеальный вариант конструкции, когда головка расположена внутри отверстия фазоинвертор.

Выполнение фазоинвертор отличается большим разнообразием от простои трубы с выходом на переднюю панель, заднюю стенку или в днище, до щели между стенками корпуса и полом. В последнем случае значительно упрощается настройка фазоинвертор и заключается в подборе толщины резиновых подкладок-ножек. Иногда, когда расчетная длина трубы соизмерима с глубиной корпуса, а по соображениям дизайна не хотят делать выход отверстия в днище или на боковую стенку, трубу выполняют в виде изогнутого воздуховода. С целью уменьшения завихрений воздуха и связанного с ним шума часто края отверстия делают закругленными, а сам туннель коническим, расширенным концом наружу.

Фазоинвертор, работающий вниз, на акустический рассеиватель делает звуковое поле круговым, обеспечивая более равномерное распределение волны в комнате и уменьшая дифракционные эффекты

Оптимальные параметры АС с ФИ в зависимости от добротности НЧ-головок Q_TS, отношения эквивалентного объема головки V_AS к объему ящика Vи отношения f_Ф/f_S, приводятся в таблице.

При добротности головки 0,7 и выше и отношении п = V_AS /V= 1 и более имеет место подъём на частотах от 1,6 до 2,5f_S Причем, чем больше п «тем выше частота, на которой наблюдается подъем и тем выше величина подъема. При этом ФИ практически не поддается настройке. С помощью табл. 2 можно решать следующие задачи:

Имея головку с известными параметрами, определить оптимальный для нее объем оформления.

Имея готовый корпус, подобрать головку с оптимальной добротностью и определить частоту настройки ФИ.

Пример расчёта акустической системы с фазоинвертором

Задание:

1. Произвести расчёт и построение схемы акустической системы с идеальными электродинамическими головками с использованием лестничного фильтра четвёртого порядка.

2. Рассчитать фазоинвертор для головки типа 35ГДН-1-8 со следующими параметрами:

f_S=30 Гц; Q_MS=5,8; Q_ES=0,44; Q_TS=0,4; V_AS = 45л; R_E=7 Ом,

V_D =1, 21·10^-4м^3.

3. Начертить принципиальную схему акустической системы.

Расчёт:

1. Возьмём в качестве разделительного фильтра фильтр не выше 2-го порядка. Сопротивление дросселя R < 0,1·R_E = 0,7 Ом.

Тогда в соответствии с формулой для расчета электрической добротности:

Q? _ES = Q_ES · (1+ R / R_E),