Громкоговорители рупорные: особенности техники

Оглавление

• 1. Назначение и область применения громкоговорителей
• 2. Трансформаторные громкоговорители
• 3. Устройство динамика
• 4. Устройство рупорного громкоговорителя
• 5. Подключение трансформаторных громкоговорителей
• 6. Классификация громкоговорителей
• 7. Область применения громкоговорителей
• 8. Характеристики громкоговорителей
• 8.1 Классификация громкоговорителей по ширине АЧХ
• 8.2 Классификация громкоговорителей по ширине диаграммы направленности
• 8.3 Классификация громкоговорителей по звуковому давлению
• 8.4 Классификация громкоговорителей по конструктивному исполнению
• 9. Расстановка громкоговорителей

Назначение и область применения громкоговорителей

Громкоговоритель – это устройство, преобразующее электрический звуковой сигнал на входе, в слышимый акустический сигнал на выходе. Для обеспечения надлежащего качества громкоговоритель должен работать громко и качественно — воспроизводить звуковой сигнал в допустимом (слышимом) динамическом (85-120дБ) и частотном (200 -5000Гц) диапазонах.

Громкоговорители имеют самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности: в промышленности, транспорте, спорте, культуре, сфере бытовых услуг. Например, в промышленности громкоговорители используются для обеспечения громкоговорящей связи (ГГС), в сфере транспорта – для экстренной связи, объявлений, в бытовой сфере – для пейджингового оповещения, а также музыкальной фоновой трансляции. В области культуры, спорта наиболее широкое применение имеют профессиональные акустические системы, предназначенные для качественного музыкального оформления мероприятий. На базе таких систем строятся системы звукового обеспечения (СЗО). Громкоговорители активно применяются в широкой сфере организационных мероприятий по защите населения: в сфере безопасности – в системах оповещения и управление эвакуацией (СОУЭ), в сфере гражданской обороны – в локальных системах оповещения (ЛСО) и предназначены для непосредственного (звукового) оповещения людей при пожаре и чрезвычайных ситуациях.

Громкоговоритель рупорный

Каталог громкоговорителей рупорных

Громкоговоритель рупорный является неотъемлемым звеном в тракте передачи звукового сигнала. Однако вследствие особенностей характеристик громкоговорителя рупорного (в первую очередь к.п.д. и полосы воспроизводимых частот), его в основном, используют в системах звукоусиления, речевого оповещения, громкоговорящей связи и сигнализации. Они незаменимы в условиях, когда в первую очередь необходимо создать большое звуковое давление, т.е. при озвучивании открытых пространств, улиц, площадей, стадионов, производственных помещениях с высоким уровнем шумов и т.д. Малогабаритные громкоговорители рупорные способны работать в зонах с повышенной запыленностью, загазованностью и содержанием взрывоопасных смесей.
ГОСТ Р 53575-2009 определяет громкоговоритель рупорный как пассивный электроакустический преобразователь, предназначенный для излучения звука в окружающее пространство, содержащий излучающую головку, имеющий необходимое акустическое оформление и необходимые пассивные электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т.п.). В отличие от головки громкоговорителя прямого излучения, которая излучает звук непосредственно в окружающее пространство, громкоговоритель рупорный излучает звук через предрупорную камеру и рупор. В качестве излучателя часто используется обычная электродинамическая диффузорная головка громкоговорителя. Благодаря такой конструкции удаётся согласовать сопротивление излучения головки громкоговорителя и акустическое сопротивление окружающей среды (воздуха). Это согласование приводит к повышению излучаемой акустической мощности, и как следствие – к повышению к.п.д. громкоговорителя рупорного. Его значение может достигать 20%, в отличие от головки громкоговорителя прямого излучения, у которой к.п.д. составляет от долей до единиц процентов.

Один из основных недостатков громкоговорителей рупорных это узкая полоса воспроизводимых звуковых сигналов, причём проблемы возникают как в низкочастотной области, так и в высокочастотной. Для эффективного воспроизведения низких частот звукового спектра необходимо:

• иметь большой размер выходного отверстия рупора (устья) — около метра, при диаметре его входного отверстия (горла) — несколько сантиметров;
• медленное расширение рупора от горла к устью.

Оба этих фактора приводят к увеличению длины громкоговорителя рупорного до нескольких метров (для воспроизведения звуковых частот от 50 Гц). Применяют громкоговорители рупорные, у которых изменение площади поперечного сечения (от горла к устью) происходит по линейному или экспоненциальному закону. Однако чаще всего применяют рупоры, площадь поперечного сечения которых изменяется по экспоненциальному закону, хотя такие рупоры более сложны в изготовлении. Рупоры такой формы имеют меньшую длину, и как следствие – меньшие размеры громкоговорителя рупорного. Широко распространённые громкоговорители рупорные малых размеров воспроизводят только частоты выше (200 … 500) Гц. Для эффективного излучения низких частот линейную длину рупора громкоговорителя разбивают на несколько секций (обычно 3). Эти секции нагружают друг на друга, тем самым физическая длина конструкции рупора уменьшается в количество секций, а общая длина рупора сохраняется (сложенный рупор).

Ограничение на излучение в области высоких частот громкоговорителя рупорного накладывается неравномерностью частотной характеристики самого излучателя (его линейными размерами) и инерционностью его диафрагмы, обусловленной массой подвижной системы (диффузора и звуковой катушки). В силу этих причин широкополосные громкоговорители рупорные имеют высокочастотную границу не более (5 … 9)кГц.

Нелинейные искажения в громкоговорителе рупорном выше, чем в громкоговорителе прямого излучения, т.к. они обусловлены не только искажениями, вносимыми самим излучателем, но и появлением термодинамических эффектов, а также нелинейностью компрессии в предрупорной камере, особенно при больших мощностях громкоговорителя рупорного.

Самостоятельно громкоговорители рупорные используются для воспроизведения низких частот (сложенный рупор) в кинотеатральных комплексах для полосы от (50 … 60) Гц до (250 … 500) Гц, либо в качестве высокочастотных излучателей, для воспроизведения сигналов в полосе частот от (3 … 5)кГц до (15 … 20)кГц. Однако наиболее широко громкоговорители рупорные применяются для воспроизведения сигналов речевой полосы частот, так называемые мегафоны. Они имеют границы воспроизводимой полосы частот от (200 … 400) Гц до (5 … 9)кГц. Такие громкоговорители рупорные широко применяют в системах оповещения и управления эвакуацией людей.

Общие технические условия на громкоговоритель рупорный, предназначенный для воспроизведения сигналов речевой полосы частот (мегафон), изложены в ГОСТ Р 53033-2008. По назначению, в соответствии с этим стандартом, громкоговорители рупорные делятся на четыре группы. Первая группа имеет самые высокие параметры и предназначена для высококачественного воспроизведения звуковых сигналов на открытых пространствах и в закрытых помещениях. Громкоговорители рупорные четвёртой группы предназначены для воспроизведения звуковых сигналов в производственных условиях с высоким уровнем шума. Неравномерность частотной характеристики у всех групп допускается большая — до 20дБ. Типовые значения номинального входного напряжения составляют 30 В и 120 В. Уровень характеристической чувствительности Nм должен составлять (не менее): для 1 группы – 100дБ, для четвёртой – 103дБ, что на (14 … 18)дБ выше, чем у головки громкоговорителя прямого излучения. Коэффициент гармонических искажений лежит в пределах от (3 … 7)% до (10 … 15)%, что более чем в два раза хуже, чем у головки громкоговорителя прямого излучения. Типовые значения номинальной мощности громкоговорителей рупорных составляют, Вт: 3; 6; 12; 25; 50; 100. Громкоговорители рупорные должны выдерживать климатические воздействия для исполнения УХЛ по ГОСТ 15150, в частности работать в диапазоне температур от -60С до +40С. Наработка на отказ должна составлять не менее 5000 час.

Расчёт уровня звукового давления, создаваемого громкоговорителем рупорным на расстоянии 1 м, выполняется по следующей формуле:

N=Nм+10*lg(Pп), дБ

где: N – уровень звукового давления (дБ), развиваемый громкоговорителем рупорным на расстоянии 1 м от него, Nм – уровень характеристической чувствительности громкоговорителя рупорного (паспортное данное), Pп – мощность (Вт), подводимая к громкоговорителю рупорному.

Для предотвращения выхода из строя, мощность, подводимая к громкоговорителю рупорному, не должна превышать максимального значения для выбранного экземпляра.

Вы можете посмотреть на наше оборудование здесь:

Громкоговорители рупорные МЕТА	Громкоговорители рупорные JDM

Трансформаторные громкоговорители

Трансформаторные громкоговорители – громкоговорители со встроенным трансформатором являются конечными исполнительными элементами в проводных трансляционных системах, на базе которых строятся системы оповещения о пожаре, локальные системы оповещения, системы громкоговорящей связи. В таких системах реализован принцип трансформаторного согласования, при котором отдельный громкоговоритель или линия с несколькими громкоговорителями подключается к высоковольтному выходу трансляционного усилителя. Передача сигнала в высоковольтной линии позволяет сохранять величину передаваемой мощности за счет уменьшения токовой составляющей, тем самым минимизировать потери на проводах. В трансформаторном громкоговорителе осуществляется 2 этапа преобразования. На первом этапе при помощи трансформатора происходит понижение напряжения высоковольтного звукового электрического сигнала, на втором этапе осуществляется преобразование электрического сигнала в слышимый акустический звуковой сигнал.

На рисунке изображена задняя часть корпусного настенного трансформаторного громкоговорителя. Трансформаторный громкоговоритель состоит из следующих частей:

Корпус громкоговорителя в зависимости от области применения может быть выполнен из различных материалов, наиболее широким из которых на сегодняшний день является АВС пластик. Корпус необходим как для удобства монтажа громкоговорителя, предохранения токоведущих частей от попадания пыли и влаги, улучшения акустических характеристик, формирования необходимой диаграммы направленности (ШДН).

Понижающий трансформатор предназначен для понижения высоковольтного напряжения входной линии (15/30/60/120В или 25/75/100В) до рабочего напряжения электродинамического преобразователя (динамика). Первичная обмотка трансформатора может содержать несколько отводов (например, полная мощность, 2/3 мощности, 1/3 мощности), что позволяет варьировать выходной мощностью. Отводы маркируются и подключаются к клеммным колодкам. Таким образом каждый такой отвод обладает своим импедансом (r, Ом) – реактивным сопротивлением (первичной обмотки трансформатора) зависящим от частоты. Выбирая (зная) значение импеданса можно рассчитать мощность (p, Вт) громкоговорителя при различных напряжениях (u, В) входной трансляционной линии, как:

p = u2 / r

Клеммная колодка обеспечивает удобство подключения трансляционной линии к различным отводам первичной обмотки трансформаторного громкоговорителя.

Динамик – устройство для преобразования электрического сигнала на входе в звуковой (слышимый) акустический сигнал на выходе. Подключается ко вторичной обмотке понижающего трансформатора. В рупорном громкоговорителе роль динамика выполняет драйвер, жестко скрепленный с рупором.

Устройство динамика

Динамик (электродинамический преобразователь) – громкоговоритель, преобразующий электрический сигнал на входе, в звуковые волны на выходе при помощи механической подвижной системы диафрагмы или диффузора (см. рисунок, картинка взята из интернета).

Основным рабочим узлом электродинамического громкоговорителя является диффузор, который осуществляет преобразование механических колебаний в акустические. Диффузор громкоговорителя приводится в движение силой, действующей на жестко скрепленную с ним катушку, находящуюся в радиальном магнитном поле. В катушке течет переменный ток, соответствующий аудио сигналу, который должен воспроизвести громкоговоритель. Магнитное поле в громкоговорителе создается кольцевым постоянным магнитом и магнитной цепью из двух фланцев и керна. Катушка под действием силы Ампера свободно движется в пределах кольцевого зазора между керном и верхним фланцем, а ее колебания передаются диффузору, который в свою очередь создает акустические колебания, распространяющиеся в воздушной среде.

Основы электроакустики

Изобретение относится к области электроакустики, а именно к конструкциям коаксиальных акустических систем с рупорным высокочастотным громкоговорителем, и может быть использовано для высококачественного воспроизведения звука. Коаксиальная акустическая система включает диффузор, прикрепленный при помощи гофра и центрирующей шайбы к диффузородержателю, магнитную систему, установленный по центру диффузора высокочастотный громкоговоритель с рупором. На наружной боковой поверхности рупора выполнены ребра, магнитная система выполнена в виде установленных соосно на центральном стержне с основанием и расположенных внутри звуковой катушки кольцевых магнитов с кольцом из магнитопроводящего материала между ними. Высокочастотный громкоговоритель с рупором установлен на обращенном в сторону диффузора торце кольцевого магнита. Полость, имеющаяся под центрирующей шайбой со стороны, обращенной противоположно диффузору, может быть сообщена с атмосферой, а рупор может быть выполнен из материала с высокой теплопроводностью. В результате повышается качество воспроизведения звука за счет уменьшения нелинейных гармонических искажений и интенсификации теплоотвода от магнитной системы и звуковой катушки, а также уменьшение веса акустической системы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

На чертеже представлена предлагаемая коаксиальная акустическая система (часть рупора показана без разреза).

Коаксиальная акустическая система, включает диффузор 1, прикрепленный при помощи гофра 2 и центрирующей шайбы 3 к диффузородержателю 4, соединенному со звуковой катушкой 5. Магнитная система выполнена в виде установленных соосно на центральном стержне 6 с основанием и расположенных внутри звуковой катушки 5 кольцевых магнитов 7 и 8 (имеющих противоположное направление полярности) с кольцом 9 из магнитопроводящего материала между ними. На обращенном в сторону диффузора 1 торце кольцевого магнита 8 установлен высокочастотный громкоговоритель (твитер) 10 с рупором 11 (например, экспоненциальной формы), выполненным, предпочтительно, из материала с высокой теплопроводностью, например черненого алюминиевого сплава, на наружной боковой поверхности которого выполнены ребра 12.

В предпочтительном варианте выполнения коаксиальной акустической системы полость 13, имеющаяся под центрирующей шайбой 3 со стороны, обращенной противоположно диффузору 1, сообщена с атмосферой, например, при помощи отверстий 14, выполненных в стенке диффузородержателя 4. Другая полость 15 также может быть снабжена отверстиями 16.

Изобретение относится к области электроакустики, а именно к конструкциям коаксиальных акустических систем с рупорным высокочастотным громкоговорителем, и может быть использовано для высококачественного воспроизведения звука.

Известна коаксиальная акустическая система, включающая диффузор, прикрепленный при помощи гофра и центрирующей шайбы к диффузородержателю, соединенному со звуковой катушкой, магнитную систему, установленный по центру диффузора высокочастотный громкоговоритель с рупором (см. заявка РСТ WO 94/03024, МПК7 Н 04 R 9/06, 1994). К недостаткам известной акустической системы можно отнести недостаточно высокое качество воспроизведения звука, обусловленное значительными нелинейными гармоническими искажениями, связанными с нежелательными эффектами от влияния отраженных от наружной боковой поверхности расширяющегося рупора звуковых волн, и от нагрева магнитной системы и звуковой катушки, а также большой вес, обусловленный большой материалоемкостью магнитной системы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является коаксиальная акустическая система, включающая диффузор, прикрепленный при помощи гофра и центрирующей шайбы к диффузородержателю, соединенному со звуковой катушкой, магнитную систему, установленный по центру диффузора высокочастотный громкоговоритель с рупором (см. заявка РСТ WO 95/28065, МПК7 Н 04 R 9/06, 1994). К недостаткам известной акустической системы также можно отнести недостаточно высокое качество воспроизведения звука, обусловленное значительными нелинейными гармоническими искажениями, связанными с нежелательными эффектами от влияния отраженных от наружной боковой поверхности расширяющегося рупора звуковых волн, и от нагрева магнитной системы и звуковой катушки, а также большой вес, обусловленный большой материалоемкостью магнитной системы.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей в повышении качества воспроизведения звука за счет уменьшения нелинейных гармонических искажений и интенсификации теплоотвода от магнитной системы и звуковой катушки, а также в уменьшении веса акустической системы.

Данная задача решается тем, что в коаксиальной акустической системе, включающей диффузор, прикрепленный при помощи гофра и центрирующей шайбы к диффузородержателю, соединенному со звуковой катушкой, магнитную систему, установленный по центру диффузора высокочастотный громкоговоритель с рупором, на наружной боковой поверхности рупора выполнены ребра, магнитная система выполнена в виде установленных соосно на центральном стержне с основанием и расположенных внутри звуковой катушки кольцевых магнитов с кольцом из магнитопроводящего материала между ними, а высокочастотный громкоговоритель с рупором установлен на обращенном в сторону диффузора торце кольцевого магнита.

В частных случаях использования изобретения полость, имеющаяся под центрирующей шайбой со стороны, обращенной противоположно диффузору, может быть сообщена с атмосферой, и рупор может быть выполнен из материала с высокой теплопроводностью.

Выполнение на наружной боковой поверхности рупора ребер позволяет с одной стороны повысить качество воспроизведения звука за счет уменьшения выбросов и провалов в амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), обусловленных влиянием или наложением отраженных от наружной поверхности рупора звуковых волн на звуковые волны, генерируемые непосредственно диффузором в соответствии с частотой тока, протекающего в обмотке звуковой катушки. Как показали наши экспериментальные исследования, влияние отраженных волн существенно только при размещении по центру диффузора расширяющегося рупора. При наличии ребер эффект отражения будет практически исключен в результате гашения ребрами поступающих на наружную поверхность рупора звуковых волн, что также выявлено в результате наших экспериментальных исследований. С другой стороны наличие этих ребер увеличивает теплоотдающую поверхность рупора и, соответственно, интенсифицирует теплоотвод от магнитной системы и звуковой катушки через рупор в окружающую среду. Таким образом, при наличии этого признака за счет совмещения при его использовании одновременно указанных выше функций обеспечивается получение синергетического эффекта, который отсутствует в известных технических решениях.

Выполнение магнитной системы в виде установленных соосно на центральном стержне с основанием и расположенных внутри звуковой катушки кольцевых магнитов с кольцом из магнитопроводящего материала между ними само по себе является известным техническим решением, которое обеспечивает уменьшение веса и материалоемкости, а также установочной глубины, однако при использовании его в заявленной совокупности признаков имеется возможность отвода тепла от магнитной системы не только через основание центрального стержня, но и через оребренный рупор.

Установка высокочастотного громкоговорителя с рупором на обращенном в сторону диффузора торце кольцевого магнита является следствием необходимости размещения рупорного высокочастотного громкоговорителя по центру диффузора, однако при этом имеется возможность выполнения оребренным рупором функции элемента, отводящего тепло от всей магнитной системы.

Сообщение полости, имеющейся под центрирующей шайбой со стороны, обращенной противоположно диффузору, с атмосферой позволяет создать дополнительный приток воздуха для охлаждения магнитной системы, что улучшает теплоотвод, а также уменьшить влияние сжатия воздуха в этой полости при движении его внутрь системы и механические потери подвижной системы, что, в свою очередь, уменьшает нелинейные искажения, вызываемые нелинейным ходом звуковой катушки.

Выполнение рупора из материала с высокой теплопроводностью интенсифицирует отвод тепла от магнитной системы через оребренный рупор в окружающую среду.

Предлагаемая коаксиальная акустическая система работает следующим образом.

Проходящий через звуковую катушку 5 ток низкой или средней звуковой частоты возбуждает переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным полем магнитной системы, приводит в движение звуковую катушку 5 и диффузор 1, который, в свою очередь, воздействует на воздушную среду, возбуждая в ней звуковые волны соответствующей частоты. Установленный по центру диффузора 1 высокочастотный громкоговоритель 10 любого принципа действия с рупором 11, улучшающим направленность и повышающим звуковое давление на высоких частотах, генерирует звуковые волны высокой частоты.

Возникающие под раструбом рупора 11 от колебаний диффузора 1 звуковые волны попадают на внешнюю боковую поверхность рупора 11 и вместо того, чтобы отразиться от нее, как в случае гладкой поверхности, и внести нелинейные искажения, гасятся и рассеиваются при помощи выполненных на этой поверхности ребер 12.

При работе акустической системы имеет место нагрев звуковой катушки 5 и, соответственно, нагрев воздуха в области ее размещения, а также магнитной системы. От магнитной системы тепло, помимо отвода через основание центрального стержня 6, эффективно отводится в окружающую среду через развитую оребренную наружную поверхность рупора 11. Такой двухсторонний отвод тепла особенно актуален именно при размещении всей магнитной системы внутри звуковой катушки 5.

Тепло от нагрева звуковой катушки 5 отводится, в том числе, и в полость 13, имеющуюся под центрирующей шайбой 3 со стороны, обращенной противоположно диффузору 1. Через отверстия 14 происходит дополнительный приток воздуха для охлаждения элементов акустической системы. Также при этом имеет место уменьшение нежелательного влияния сжатия воздуха в полости 13 при движении диффузора 1 внутрь системы на характер его перемещения и, соответственно, на характеристики акустической системы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой неразрывную совокупность признаков, в которой отличительные признаки выполняют одновременно несколько функций, и которые каждый из них может выполнять только во взаимосвязи с другими признаками именно предложенной акустической системы.

Предлагаемая коаксиальная акустическая система позволяет получить высокое качество воспроизведения звука при небольших размерах и весе.

1. Коаксиальная акустическая система, включающая диффузор, прикрепленный при помощи гофра и центрирующей шайбы к диффузородержателю, соединенному со звуковой катушкой, магнитную систему, установленный по центру диффузора высокочастотный громкоговоритель с рупором, отличающаяся тем, что на наружной боковой поверхности рупора выполнены ребра, магнитная система выполнена в виде установленных соосно на центральном стержне с основанием и расположенных внутри звуковой катушки кольцевых магнитов с кольцом из магнитопроводящего материала между ними, а высокочастотный громкоговоритель с рупором установлен на обращенном в сторону диффузора торце кольцевого магнита.

2. Коаксиальная акустическая система по п.1, отличающаяся тем, что полость, имеющаяся под центрирующей шайбой со стороны, обращенной противоположно диффузору, сообщена с атмосферой.

3. Коаксиальная акустическая система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что рупор выполнен из материала с высокой теплопроводностью.

Устройство рупорного громкоговорителя

Рупорный громкоговоритель является (активным первичным) средством воспроизведения звукового акустического сигнала в допустимом частотном и динамическом диапазонах. Характерными особенностями рупора являются обеспечение высокого акустического звукового давления за счет ограниченного угла раскрыва и относительно узкого частотного диапазона. Рупорные громкоговорители используются в основном для речевого оповещения, находят очень широкое применение в местах с повышенным уровнем шума – подземные стоянки, автовокзалы. Высококонцентрированный (узконапрвленный) звук позволяет применять их на ж/д. станциях, в метрополитенах. Наиболее часто рупорные громкоговорители применяются для озвучивания открытых площадок – парки, стадионы.

Рупорный громкоговоритель (рупор) является согласующим элементом между драйвером (излучателем) и окружающей средой. Драйвер, жестко связанный с рупором, преобразует электрический сигнал в звуковую энергию, поступающую и усиливаемую в рупоре. Усиление звуковой энергии внутри рупора осуществляется за счет специальной геометрической формы, обеспечивающей высокую концентрацию звуковой энергии. Использование в конструкции дополнительного концентрического канала позволяет существенно уменьшить размеры рупора при сохранении качественных характеристик.

Рупор состоит из следующих частей (см. рисунок, картинка взята из интернета):

• металлическая диафрагма (a);
• звуковая катушка или кольцо (b);
• цилиндрический магнит (c);
• компрессионный драйвер (d);
• концентрический канал или выступ (e);
• рупор или горн (f).

Рупорный громкоговоритель работает следующим образом: электрический звуковой сигнал поступает на вход компрессионного драйвера (d) преобразующего его в акустический сигнал на выходе. Драйвер (жестко) скреплен с горном (f) обеспечивающим высокое звуковое давление. Драйвер состоит из жесткой металлической диафрагмы (a) приводимой в движение (возбуждаемой) звуковой катушкой (витком или кольцом b) намотанной на цилиндрический магнит (c). Звук в данной системе распространяется от драйвера, проходя через концентрический канал (e), экспоненциально усиливается в рупоре (f), после чего поступает на выход.

ПРИМЕЧАНИЕ: В различной литературе и в зависимости от контекста могут встречаться следующие наименования рупора – мегафон, горн, репродуктор, рефлектор, труба.

Рупорные АС большие и маленькие

“Horn Loudspeaker Design”, J. Dinsdale. Wireless World, Mar 1974, pp. 19-24.

После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и «присутствия». В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно — теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.

Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв.м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечастотные рупоры имеют квадратное сечение и «свернуты» сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.

Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50 % — очень внушительное значение по сравнению с 2 -3 % фазоинверторного и меньше чем 1 % для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокая стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свернутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты.

Но, хотя иногда встречаются курьезные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свернута в корпус объемом всего 150-200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объем работы по изготовлению свернутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к «поточным» методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свернутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самодельщика или профессионала, для которых и предназначена данная статья.

Хотя ранние акустические граммофоны, фонографы, а также первые «электрические» преобразователи 20-30-х годов использовали рупоры самых разных видов, впоследствии прогресс этого вида оформления практически остановился. Конечно, отдельные фирмы производят рупорные громкоговорители, и редкие статьи в технической прессе вызывают временный подъем интереса, но, за исключением классических трудов Олсона (Olson), Беранека (Beranek) и еще нескольких публикаций, вышедших до 1940 года, информации, доступной желающим спроектировать и построить рупор, крайне мало. Данная статья преследует цель в какой-то степени удовлетворить интерес со стороны энтузиастов рупорного звучания.

После краткого исторического обзора в статье будет рассмотрена теория громкоговорителя с рупорной нагрузкой, а также объяснены отправные пункты, принимаемые во внимание при проектировании рупоров. Кроме того, будут изучены различные компромиссы, применяемые при проектировании, в особенности в области способов «сворачивания» и влияние этих компромиссов на качество звучания.

Предисловие

В течение многих тысяч лет известно, что, если звук пропустить через трубу с маленьким отверстием с одной стороны и большим — с другой, то он заметным образом усилится. С библейских времен человек использовал рога животных и другие встречающиеся в природе «рожки» как в качестве музыкальных инструментов, так и в качестве мегафона. В 1877 году Томас Эдисон приставил рожок из олова к своему примитивному фонографу, чтобы согласовать крошечные колебания диафрагмы с акустической нагрузкой в виде воздуха в помещении. У большинства людей термин «рупор граммофона» вызывает в воображении образ ранних граммофонов или фонографов, разработанных примерно между 1890 и 1912 годами, когда все использовали внешний рупор.

В тех рупорах использовалось множество профилей расширения: в самых ранних моделях, главным образом, прямой конический; в более поздних граммофонах этого периода использовали большие расширяющиеся рупоры с прямолинейной или изогнутой осью, в зависимости от длины и общего дизайна всего изделия. Анализ этих ранних рупоров, выполненный на основе современных знаний в области акустики, показывает, что в то время недостаточно хорошо понимали принцип действия рупора как акустического трансформатора. Это тем более удивительно, поскольку лорд Рэлей (Lord Rayleigh) проанализировал «передачу акустических волн в трубах изменяющегося сечения» в статьях №№ 265, 280 своего классического трактата «Теория Звука», изданного еще в 1878 году.

Лорд Рэлей в статье № 281 дал анализ прохождения звука через коническую трубу, а также сделал интересное заявление, что «если отрезок трубы изменяем, то проблема колебаний воздуха в его пределах вообще не может быть решена». В течение первых нескольких лет после публикации результаты лорда Рэлея имели лишь чисто научный интерес, который возрос к рубежу столетий в связи с появлением граммофонов, большинство из которых как раз использовали конические рупоры, как, например, в ранних моделях HMV (известные по рекламе с собакой, слушающей хозяина — His Master’s Voice).

После 1912 года множество производителей представило рупоры, свернутые в той или иной степени, чтобы поместить их внутрь корпуса граммофона. Эти модели из-за их компактности и пригодности в качестве элемента мебели активно присутствовали на потребительском рынке течение следующих 12 лет (даже в те далекие дни энтузиастам было не всегда легко убедить своих жен в том, что аппарат с торчащей из него здоровенной трубой является наилучшим украшением гостиной).

В начале 1920-х годов разработчики провели теоретические исследования (изначально основанные на работе лорда Рэлея), добиваясь воспроизведения полного звукового диапазона на приемлемых для домашнего использования уровнях громкости. Среди этих ранних исследований в Америке следует упомянуть работы Вебстера (A.G.Webster) в 1920, Ханны (C.R.Hanna) и Слепиана (J.Slepian) в 1924 и Фландерса (P.B.Flanders) в 1927. В Великобритании независимые исследования были опубликованы Вилсоном (P.Wilson) в 1926 в журнале The Gramophone, позже совместно с Веббом (A.G.Webb) в «Современных граммофонах и электрических громкоговорителях», а также Войтом (P.G.A.H. Voigt) в 1927.

Все эти исследования, кроме самого последнего, были основаны на экспоненциальном контуре, и были получены из утверждений статьи № 265 трактата Рэлея. Вебстер разработал приблизительную теорию для других типов профиля и показал, что самым оптимальным является экспоненциальный. Все эти исследования следовали из предположений о том, что: (а) поперечное сечение рупора — круг; (б) ось симметрии — прямая; (в) все фронты звуковой волны — плоские.

Однако если звуковую волну в горле рупора еще можно считать плоской, то ясно, что в устье она уже будет искривленной (проще всего это понять, представив себе в устье рупора надутый воздушный шарик). Вилсон, проведя в 1926 году анализ экспоненциального профиля на основе допущений из работы Рэлея, позже издал измененный вариант, исходивший из того, что фронт волны имеет сферическую форму и всегда пересекает контур и оси рупора под прямыми углами.

Это предположение, что кривизна фронта звуковой волны постепенно увеличивается от нулевого значения (соответствующему изначально плоской форме фронта в горле), удовлетворяет также условиям, указанным Ханной, Слепианом и, позже Крэнделлом (I.B.Crandall), что фронт волны, выходящей из открытого конца, эквивалентен создаваемому сферической поверхностью, а не плоским поршнем. Войт, однако же, начинает свой анализ с предположения о том, что фронт волны в пределах рупора сохраняет сферическую форму, причем эта сфера по всей длине имеет один и тот же радиус. Это предположение приводит впоследствии к профилю, основанному на кривой под названием трактриса. Как теоретические исследования, так и результаты тщательных прослушиваний позволяют предположить, что именно трактриса является оптимальным профилем для рупора. Математические основы экспоненциальных и «трактрисовых» кривых будут более подробно обсуждаться ниже.

В течение 1920-х, 30-х и 40-х годов экспериментаторы придумали массу способов сворачивания рупоров внутрь маленького корпуса граммофона, и записи Патентного Бюро свидетельствуют об изобретательности людей, в поиске совершенного звуковоспроизведения пытавшихся преодолеть крайне противоречивые условия. Эти проекты пользовались большей или меньшей степенью успеха в зависимости от множества факторов, включая характеристики самого громкоговорителя («драйвера»). Следует отметить, что они почти всегда имели квадратное или прямоугольное сечение, а ось рупора больше уже не была прямолинейной. Поэтому фактические характеристики и теоретический расчет совпадали лишь до определенной степени.

Появление в 1927 году громкоговорителя с подвижной катушкой и электронных усилителей стимулировали дальнейшее развитие рупоров, которые, будучи теперь механически не связанными со звукоснимателем, освободились от связанных с этим конструктивных ограничений. Многие модели головок были разработаны специально для рупорной нагрузки, и до Второй Мировой Войны интерес к другим видам оформлений, несмотря на их меньшие размеры, простоту изготовления и, как следствие, низкую цену, все же уступал рупорам, радикальным образом превосходивших все остальные в терминах музыкального реализма.

В это же время значительный вклад внесли разработки Войта в Англии и Клипша (Klipsch) в Америке. Особенно это касается последнего, предложившего изобретательный метод использования акустических свойств помещения прослушивания, в наше время считающийся классическим. Другие также экспериментировали с рупорными громкоговорителями, особенно Енох (J. Enoch) и Мордан (N. Mordaunt) (чей проект был впоследствии использован для корпусов Tannoy моделей Autograph и GRF). Лоутер (Lowther) использовал современные версии драйверов Войта с высоким значением магнитного потока, Роджерс (J. Rogers) создал среднечастотную «ленту» с рупорной нагрузкой, которая все еще расценивается многими как эталон звуковоспроизвения в этом диапазоне. Нельзя также пропустить вклад Краббе (H.J. Crabbe) и Балдока (R. Baldock) в более позднее время.

Однако нужно подчеркнуть, что многократные отражения, поглощения, резонансы и изменения направления, свойственные свернутым рупорам, вместе с непредсказуемостью работы некруглых секций неизбежно дают расхождение с поведением прямого круглого рупора, на модели которого основывался расчет.

С недавних времен наблюдается некоторый всплеск в популярности рупоров, возможно вызванный стремлением к «совершенному качеству звуковоспроизведения», и есть многие, кто надеются, что эта тенденция сохранится.

ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Следующий раздел имеет дело преимущественно с экспоненциальным контуром, который является основной кривой расширения, используемой в большинстве высококачественных рупорных громкоговорителей, а также трактрисой, формула которой, хотя и более сложна, также содержит экспоненциальную компоненту. Более того, две эти кривые фактически идентичны на отрезке от горла до примерно середины рупора.

Образующая

Теория конического рупора была изначально разработана лордом Рэлеем, но первые серьезные попытки определить практическую формулу для экспоненциального рупора не были сделаны вплоть до 1919 года и даже позднее. Основные формулы передачи звуковых волн через рупор были даны в современных терминах Сальмоном (V. Salmon) и другими. Беранек приводит графики акустического сопротивления в горле рупора в зависимости от частоты для нескольких «бесконечных» рупоров разных профилей, но с одинаковым сечением горла. Эти данные приведены на рис. 1.

Можно показать, что для оптимальной нагрузки драйвера громкоговорителя комплексное сопротивление в горле рупора должно быть полностью активным, а также сохранять свое значение в рабочем диапазоне частот. Иными словами, распространение звука должно быть «функцией мощности». Изучив кривые на рис. 1, можно установить, что наиболее близко удовлетворяют этим условиям кривые экспоненциального и гиперболического профиля.

Рис. 1. Зависимости активных и реактивных акустических сопротивлений от частоты в горле рупоров с различными образующими, имеющих бесконечную длину.

Следующее условие, которое должно быть удовлетворено — минимальные искажения в горле рупора, вызванные «воздушной перегрузкой». Когда звуковая волна распространяется в воздухе, возникает ряд гармоник, искажающих форму волны. Это происходит, потому что, если равные положительные и отрицательные изменения давления действуют на некую массу воздуха, изменения объема не будут равными; изменение объема вследствие увеличения давления будет меньшим, чем из-за равного по величине уменьшения давления. Быстрые расширения и сжатия воздуха, вызванные распространением звуковых волн, происходят по адиабатическому закону, то есть отсутствует передача тепла. Таким образом, связь давления и объема описывается формулой:

где p — давление, V — объем, γ — постоянная адиабаты (приблизительно 1.4 для воздуха в нормальных условиях). В графическом виде механизм возникновения искажений проиллюстрирован на рис. 2. При равных по модулю изменениях объема изменение давление оказывается разным, что и приводит к искажениям.

Если бы рупор представлял собой цилиндрическую трубу, искажения увеличивались бы по мере распространения волны в сторону устья. Однако, в случае расширяющегося рупора по мере удаления от горла амплитуда давления волны уменьшается. Поэтому для минимальных искажений рупор должен расширяться резко, чтобы амплитуда давления волны уменьшалась как можно быстрее после того, как звуковая волна покинет горло. С этой точки зрения очевидно, что параболические и конические контуры дают наименьшие искажения из-за воздушной перегрузки, в то время как гиперболический рупор, напротив, даст самые большие искажения, потому что для равного уменьшения давления звуковой волне потребуется преодолеть большее расстояние.

Рис. 2. Соотношение между давлением и объемом воздуха в случае адиабатического сжатия/расширения.

Дальнейшее изучение рис. 1 показывает, что акустическое сопротивление гиперболического рупора находится в пределах 10 % от своего предельного значения в более широком диапазоне частот, чем у экспоненциального рупора. По этой причине гиперболический рупор обеспечивает лучшие условия согласования нагрузки с драйвером. Однако, ввиду значительно более высоких искажений в гиперболическом рупоре, экспоненциальный профиль (или одна из его производных) выбирается как наиболее удовлетворительный компромисс между гиперболическими и коническими контурами.

В тех случаях, где требуется использовать преимущества длинных медленно расширяюшихся рупоров без сопутствующих высоких искажений, Олсон рекомендует использовать несколько разных экспоненциальных участков, первый из которых (возле горла) должен быть коротким, но расширяться очень резко, чтобы минимизировать искажения. Далее следует более длинная секция с меньшим коэффициентом расширения, после которой идет основная часть рупора, расширяющаяся очень медленно. Клипш также упомянул эту технику в своей статье, посвященной угловому рупору, называя ее «резиновое горло». Акустический импеданс устья каждой из секций рассчитан таким образом, чтобы соответствовать импедансу горла следующей секции. Этим способом могут рассчитываться практически любые соотношения между импедансами в зависимости от частоты, однако, ввиду сложности этой процедуры, дополнительные усилия по расчетам не всегда оправданы.

Площадь устья

Акустические активное и реактивное сопротивления для экспоненциального рупора в графическом виде представлены на рис. 3. Видно, что сопротивление имеет полностью реактивный характер ниже частоты, определяемой по формуле:

где: с — скорость звука; m — постоянная расширения, которая фигурирует в основной формуле профиля экспоненциального рупора:

где: Sx — площадь на расстоянии x от горла; ST — площадь горла.

Рис. 3. Активное и реактивное акустическое сопротивление экспоненциального рупора

Частота среза fc, является самой низкой частотой, при которой рупор передает акустическую мощность, поэтому постоянная расширения определяет низшую воспроизводимую частоту конкретного рупора. Постоянная расширения может быть рассчитана для любой выбранной частоты среза, после чего может быть построен профиль рупора. Вышеупомянутое утверждение полностью справедливо только для рупоров бесконечной длины. В рупорах, как и в цилиндрических трубах, фронты волн, чья длина превышает диаметр устья, имеют свойство отражаться в обратном направлении, в результате чего возникает интерференция с последующими волновыми фронтами. Также как и для горла рупора, для устья должно выполняться условие активного характера сопротивления среды в рабочем диапазоне частот. Беранек показал, что для того, чтобы сопротивление излучению в устье носило активный характер, должно выполняться условие C/λ > 1, где C — окружность устья, а λ — длина волны на самой низкой воспроизводимой частоте. Если устье рупора имеет некруглую форму, условие будет аналогичным, но для эквивалентной площади устья. То есть, если C = 2πrm > λc, тогда:

где: λc — длина волны на частоте среза; rm — радиус устья; Sm — площадь устья. Таким образом, для рупора квадратного сечения должно обеспечиваться условие, чтобы площадь устья превышала:

Ханна и Слепиан исследовали поведение фронтов звуковой волны в устье рупора с различных точек зрения и пришли к выводу, что минимальные отражения наблюдаются при наклоне профиля 45° (то есть вписанный угол 90°). Так будет, если окружность устья равна длине волны на частоте среза. Заодно это иллюстрирует важность отличия между значением постоянной расширения, используемым для вычисления экспоненциального увеличения площади, и тем, которое используется при прорисовке реального профиля. Графики на рис. 4 (по данным Олсона) иллюстрируют эффект от сокращения длины рупора против идеального значения.

Рис. 4. Поведение «укороченных» рупоров. Отражения в устье вызывают пики и провалы в АЧХ возле частоты среза

Когда окружность устья становится меньше, чем длина волны, отражения в устье вызывают нежелательные пики и провалы амплитудно-частотной характеристики в районе нижней граничной частоты. Таким образом, если размеры устья в проекте сильно ограничены, то, как правило, предпочтительно увеличить нижнюю граничную частоту до значения, соответствующего размеру устья, чем получить неравномерность в области баса, проиллюстрированную на рис. 4.

Фронт волны

До последнего момента предполагалось, что последовательные фронты волн остаются плоскими в процессе их распространения через рупор. В прямой круглой трубе это действительно так: фронт волны должен быть перпендикулярен к оси и стенкам (если бы фронт импульса приближался или удалялся от стенок, энергия, соответственно, поглощалась или излучалась; с другой стороны, сложный фронт, состоящий из первоначальной волны и ее отражений от стенок будет перпендикулярен к стенкам). Таким образом, фронты импульса, переданные по цилиндрической трубе, будут плоскими, в то время как фронты, переданные через конической рупор, будут сферическими. Ясно, что фронт волны, выходящей из экспоненциального рупора, будет в какой-то степени искривлен, и что обычные вычисления, сделанные из предположения, что фронт волны плоский, будут заведомо ошибочными. Практически реальная нижняя частота среза будет несколько отличаться значения, полученного теоретически, хотя погрешность профиля рупора при этом не будет чрезмерной.

Не совсем верно будет предполагать, что площади последовательных фронтов расширяются строго по экспоненциальному закону, поскольку любой выбранный профиль будет сам по себе определять форму фронтов волны, и вообще эта форма будет изменяться от первоначальной. Вилсон исходил из предположения о том, что фронты имеют сферическую форму, причем их кривизна меняется от ноля (плоский фронт) в горле рупора. На этом основании он рассчитал измененный контур, который находится внутри строго экспоненциального и очень близок к нему. Если, например, сделать «истинно экспоненциальный» рупор способом папье-маше, то после «усушки» форма станет очень близкой как раз к модифицированному профилю Вилсона. Однако, главное его утверждение, что фронты являются сферическими и изменяют свою кривизну, ни в коем случае не означает, что так и есть на самом деле.

Образующая в виде трактрисы

Войт в своем патенте 1927 года основывался на более простом предположении, что форма фронтов волны в пределах рупора является сферической, причем радиус сферы в процессе распространения неизменен на всем протяжении. Он обосновывал это предположение путем рассуждения, что, если кривизна фронта будет увеличиваться от нуля (плоская волна) в горле до некоторого значения в устье, то точки фронта, находящиеся на оси, будут перемещаться с более высокой скоростью, чем точки возле стенок рупора. Но, поскольку весь фронт должен перемещаться с одинаковой скоростью, равной скорости звука, то и форма фронта может быть только сферической и постоянного радиуса. Это требует, чтобы контур рупора являлся трактриксой.

Трактрикса — плоская кривая, прочерченная грузом, который тянут за веревку, причем тянущий человек перемещается по прямой линии, не проходящей через груз. Это

— не кривая «метода погони» или траектория ракеты, которая стремится к убегающей цели, как часто ошибочно считают. Длина трактриксы, соответствующей устью с окружностью λc, может быть выражена через длину волны, соответствующую нижней граничной частоте:

где у — радиус.

Эквивалентная экспонента:

Обе эти кривые изображены на рис. 5.

Видно, что трактрикса имеет доминирующий показательный компонент, который становится менее существенным по мере приближения к устью. Для первых 50 % длины экспоненциальный контур и трактрикса для одной и той же частоты среза и площади горла фактически идентичны, после этого трактрикса начинает расширяться гораздо быстрее, пока не достигнет полностью «раскрытого» устья (вписанный угол 180°). Ввиду сложного характера формулы, лучший способ строить трактриксу — графический. Полученная таким образом кривая после некоторого сглаживания (для устранения неравномерностей, связанных с графическим способом построения) может использоваться для определения ординат точек контура рупора.

Рис. 5. Сравнение образующих в виде экспоненты и трактрисы.

В то время, как трактриса заканчивается, когда угол между рупором и осью составляет 90° (вписанный — 180°), обычная экспонента продолжает идти в бесконечность в обоих направлениях. Таким образом, «трактрисовый» рупор оказывается короче экспоненциального с равными по размеру горлом и устьем.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия экспоненциального рупора определяется большим числом параметров, всестороннее рассмотрение которых было проведено Олсоном. Типичная эффективность басовых рупоров достигает 50 %, в то время как средне-и высокочастотные могут иметь КПД более 10 %. Эти цифры смотрятся очень выигрышно на фоне фазоинверторов (2-5 %) и закрытых ящиков (как правило, менее 1 %). Исключительно высокая эффективность рупорных громкоговорителей вовсе не означает, что их главное достоинство — возможность использовать усилители на небольшой мощности. Скажем, некоторые усилители с выходными каскадами, работающими в классе B, с рупорами могут создавать, напротив, большие уровни искажений, поскольку такой усилитель будет работать при небольших уровнях на выходе, когда уровень искажений типа «ступенька» будет относительно высоким.

Принципиальным преимуществом, следующим из высокой чувствительности, является то, что амплитуда перемещения диафрагмы головки громкоговорителя будет существенно меньшей, чем для всех остальных видов оформлений. Поэтому резко снижаются эффекты, вызванные нелинейностью магнитного поля и подвеса, кроме того, диффузор оказывается менее склонным к возникновению зонного эффекта. Таким образом, относительно высокие искажения, присущие головкам, оказываются сведенными к минимуму, и, поскольку рупор сам по себе искажений не вносит, излучаемый звук оказывается очень высокого качества.

Дополнительное преимущество, получаемое от уменьшения амплитуды смещения диффузора, состоит в том, что определенные виды интермодуляционных искажений, возникающие в результате изменения объема воздуха между диффузором и горлом рупора, также могут быть снижены до незначительных величин.

Настройка предрупорной камеры

Полость, неизбежно присутствующая между диафрагмой динамика и горлом рупора, играет важную роль при разработке рупорных систем, поскольку она может быть использована для ограничения максимальной воспроизводимой частоты. Нижняя граничная частота может быть установлена с достаточно высокой точностью, исходя из коэффициента расширения рупора в сочетании с величиной площади устья. Верхний же предел частоты определить труднее, поскольку он зависит от:

а) неодинаковых расстояний между разными участками диафрагмы и горла рупора;

б) внутренних переотражений и дифракционных эффектов внутри рупора, особенно если он — свернутый;

в) характеристик самой головки в области высоких частот;

г) эффективности полости между диафрагмой и горлом, выступающий в качестве фильтра низких частот.

Можно показать, что полость фиксированного объема представляет собой акустическое реактивное сопротивление величиной

где: Sp — площадь диффузора; V — объем предрупорной камеры; ρ — плотность воздуха; c — скорость звука; f — частота.

Когда полость расположена между диафрагмой и горлом, она ведет себя как емкость, «шунтирующая» сопротивление собственно горла, поэтому при выборе корректных параметров комбинация полости и горла работает как фильтр низких частот, частота настройки которого определяется равенством комплексных сопротивлений полости и горла,

где: ST — площадь горла; f — требуемое значение верхней граничной частоты.

Отсюда

Объем предрупорной камеры может быть теперь рассчитан таким образом, чтобы обеспечить спад характеристики на высоких частотах еще до тех значений, когда начинают проявляться трудноопределяемые эффекты (а) и (в), описанные выше.

Дополнительное преимущество, получаемое при использовании предрупорной камеры, настроенной так, чтобы предотвратить прохождение средних и высоких частот в басовый рупор, состоит в том, что эти частоты гораздо лучше воспроизводить с противоположной стороны диффузора, нагруженной на СЧ/ВЧ рупор, монтируемый на передней части громкоговорителя.

Более детальное обсуждение вопросов, связанных с практическим определением верхней и нижней границ полосы воспроизводимых частот, будет приведено далее.

Акустическое оформление обратной стороны головки громкоговорителя

Выше было высказано мнение об искажениях, вызванных нелинейностью процессов расширения и сжатия воздуха. Этот эффект еще более подчеркивается в том случае, когда динамик нагружен на рупор только с одной стороны, поскольку горло работает как активное акустическое сопротивление только при перемещении диафрагмы в одном («прямом») направлении. Когда же диафрагма движется в обратном направлении, она испытывает существенно меньшее сопротивление, вследствие чего увеличивается ее смещение. Идеальный способ устранить такие искажения состоит в том, чтобы нагрузить диафрагму с обеих сторон одинаковыми рупорами, либо использовать басовый рупор, работающий на «заднюю» сторону динамика, а спереди нагрузить диффузор фронтальным СЧ/ВЧ рупором.

Рис. 6. Эффект ограничения предрупорной камерой высоких частот

Альтернативный способ, используемый многими разработчиками, заключается в том, что обратная сторона диффузора нагружена на закрытую компрессионную камеру, которая создает примерно такое же сопротивление, что и рупор. Таким образом, компрессионная камера снижает эффекты нелинейности от неодинаковой нагрузки на разные стороны диафрагмы, а также обеспечивает «более удобную» нагрузку для диафрагмы — закрытая камера с обратной стороны диффузора сама по себе дает «индуктивный» характер сопротивления, что уравновешивает «емкостное» сопротивление, которое представляет собой горло рупора на низких частотах. Клипш утверждает, что объем компрессионной камеры определяется, как площадь горла, умноженная на скорость звука, деленная на 2π и частоту среза. Это выводится на основе следующих соотношений:

Сопротивление компрессионной камеры

где: Sp — площадь диафрагмы; V — объем воздушной камеры.

Сопротивление горла на частоте среза

где ST — площадь горла.

Приравнивая эти два выражения, получаем:

Однако часть экспертов отмечает, что использование компрессионной камеры умаляет реализм воспроизведенного звука и настаивают на нагрузке в виде рупора с обеих сторон диафрагмы, либо же на комбинации рупора с одной стороны и прямого излучения — с другой. Другими словами, наиболее реалистичное звуковоспроизведение происходит в тех случаях, когда обеим сторонам диафрагмы «позволено» излучать звук в пространство.

Подключение трансформаторных громкоговорителей

В трансляционных системах наиболее распространен вариант, когда к одному трансляционному усилителю необходимо подключить несколько трансформаторных громкоговорители, например, для увеличения громкости или площади покрытия.

При большом количестве громкоговорителей удобней всего подключать их не непосредственно к усилителю, а к линии, которая в свою очередь подключена к усилителю или коммутатору (см. рисунок).

Длина таких линий может быть достаточно протяженной (до 1км). К одному усилителю может быть подключено несколько таких линий, при этом следует соблюдать следующие правила:

ПРАВИЛО 1

: Трансформаторные громкоговорители подключаются к трансляционному усилителю (только) параллельно.

ПРАВИЛО 2

: Суммарная мощность всех громкоговорителей, подключенных к трансляционному усилителю (в том числе через релейный модуль), не должна превышать номинальной мощности трансляционного усилителя.
Для удобства и надежности подключения(соединения) необходимо использовать специальные клеммники.

Сферические колонки

Шар (или сфера) является идеальной формой колонки. Сферическая форма корпуса оказывает минимальное влияние на звучание установленного в нем динамика, что позволяет получить максимально верный, аудиофильский звук. Готовую сферическую акустику редко можно встретить в магазинах, она сложна в производстве и соответственно имеет очень высокий ценник. Однако сделать сферические колонки в домашних условиях с помощью самых обычных инструментов совсем несложно, о чем и пойдет речь в обзоре. Изначально я планировал сделать комплект сферической акустики для системы 2.1 (т.е. 2 стереоколонки + сабвуфер). Поскольку в такой системе за воспроизведение низких частот (басов) отвечает сабвуфер, то колонки-сателлиты можно сделать из динамиков с высокой резонансной частотой и добротностью, например автомобильных динамиков. Высокая резонансная частота (Fs) говорит о том, что басы такой динамик воспроизводит очень плохо. Для обычных стереоколонок это недостаток, а для использования в сателлитах системы 2.1 это наоборот достоинство. Дело в том, что басы сабвуфера с фазоинвертором (а у меня именно такой) сильно отстают от колонок по времени и фазе и при смешении с собственными басами колонок итоговое звучание такой системы будет очень плохим – смазанный звук, сопровождаемый невнятным низкочастотным гулом. Таким образом, все басы из сателлитов для системы 2.1 ниже частоты среза сабвуфера должны быть максимально выпилены. Приступаем к работе

Для установки в сферические колонки-сателлиты будем использовать автомобильные коаксиальные динамики JVC CS-J420X ru.jvc.com/mobile-entertainment/speakers/CS-J420X/ (21W RMS, 90 дБ/мВт). Их параметры Тиля-Смолла (Fs=135,9 Гц, Qts=2.39, Vas=1.57 л.) я измерял в одном из прошлых обзоров.

А в качестве основы для корпуса колонок будем использовать акриловый шар диаметром 25 см и объемом примерно 8 литров от уличного светильника www.ozon.ru/context/detail/id/178001832/. Такие светильники продаются и в оффлайне, а заказал в Озоне потому что на них была акция 1+1=3 и еще были баллы на счете в Озоне.

Зафиксировав шар в ведре, осциллятором отрезаем фланец крепления. С помощью сверла «балеринка» делаем отверстие под крепление динамика на противоположной части шара. Здесь толщина акрила оказалась несколько меньше, около 2 мм. Поменяв насадку на осцилляторе, сошлифовываем срез в плоскость.

Второе отверстие превращает наш корпус в подобие открытого ящика. Такое акустическое оформление необходимо по 2-м причинам. Во-первых, колонки типа открытого ящика с размерами как у нашего шара чисто физически не могут воспроизводить частоты ниже 150 Гц из-за акустического короткого замыкания на длинах волн от 2-х и более метров (на рис. ниже, для нашего корпуса длина огибающей от передней до задней поверхности диффузора равна примерно 60 см, это четверть длины волны для частоты 150 Гц):

А вторая причина в том, что динамик с такой высокой добротностью не подойдет никуда кроме открытого ящика.

Т.к. вся площадь сферы конструктивно представляет собой сплошное ребро жесткости, толщины 2 мм будет достаточно чтобы обеспечить механическую прочность колонок, тем более для негерметичного открытого ящика, однако для хорошей звукоизоляции такой толщины будет явно недостаточно. В патенте WO2015187051 на сферические колонки приводится такая многослойная конструкция корпуса:

В этой запатентованной колонке корпус также сделан из акрила. А бутилкаучуковая мастика на подложке из алюминиевой фольги – это самая обычная автомобильная виброизоляция. Она предназначена для устранения резонансов и гашения звуковых волн преимущественно низких частот с эффективным диапазоном от 20 Гц до 1000 Гц. Что касается звукопоглощающего материала, он гасит звуки в диапазоне примерно от 1000 Гц до 10000 Гц.

Из патентной библиотеки направимся теперь на сайт www.templatemaker.nl/en/sphere/ за разверткой сферы на плоскость. Вбиваем диаметр нашего шара, количество долек (сегментов) и дискретность (я выбрал 45 для получения плавной дуги на шаблоне):

Распечатываем полученный PDF и вырезаем шаблон. Перед наклейкой виброизоляции сверлим в корпусе отверстия под разъемы «банан» и паяем внутренние провода. Из листа виброизоляции StP Gold вырезаем с помощью полученного шаблона 10 сегментов развертки шара. Прогреваем феном для лучшей адгезии:

Для лучшего прилегания виброизоляции в процессе прикатывания используем вырезанный ранее фрагмент шара. Для крепления динамика сверлим отверстия и наклеиваем разрезанные пополам войлочные кружки для мебельных ножек:

Затем готовим корпуса и подставки для них под нанесение внешнего виброизоляционного и декоративного покрытия типа «жидкая резина» leroymerlin.ru/product/aerozol-vixen-zhidkiy-chehol-520-ml-cvet-chernyy-82349449/ В качестве подставок я использовал стеклянные вазочки под мороженое (креманки) poryadok.ru/catalog/kremanki/14644/ Заклеиваем периметр отверстий малярным скотчем и подвешиваем через отверстия для разъемов. Окрашиваем в 3 слоя с промежуточной сушкой между слоями около получаса и прикручиваем динамики:

Кстати, таким «жидким чехлом» можно вполне успешно реставрировать потертые части корпуса старого телефона. До и после:

Используя тот же шаблон, вырезаем и наклеиваем звукопоглощающий материал Битопласт А5К:

Приступим к прослушиванию изготовленных колонок в составе системы 2.1.

— Сабвуфер –ALPINE SBG-844BR (фазоинвертор, 120W RMS, 4 Ohm, 34-200 Гц, 91 dB/1W/1m) на базе 8-дюймового драйвера SWG-844 (Fs 34 Hz, Qts 0.42, Vas 33.4 L). Кстати, на боковых стенках этого сабвуфера есть вставка из акрила. Ее толщина 5 мм.

— Плата усилителя GHXAMP TPA3116 2.1 Subwoofer Bluetooth Amplifier 50W*2+100W Bass https://aliexpress.ru/item/item/32842016553.html Плата позволяет регулировать частоту среза сабвуфера в диапазоне до 200Hz, имеет раздельную регулировку громкости по стереоканалам и каналу баса и отключаемый фильтр низких частот для стереоканалов. Поддерживает Bluetooth 5.0 и проводное подключение.

— Блок питания для усилителя DC24V 10A 240W https://aliexpress.ru/item/item/4000151682100.html

Подключаем, выравниваем крутилками громкость стереоканалов и баса, ставим частоту среза примерно 150 Гц. Помимо того, что это нижняя частота сателлитов, еще есть одна причина делать частоту среза достаточно высокой. Сабвуфер — это специализированное устройство для воспроизведения басов и коэффициент нелинейных искажений по НЧ у него на порядок ниже, чем у обычных широкополосников или СЧ динамиков.

При первом прослушивании явно заметны послезвучия на средних частотах. Все-таки добротность динамиков JVC CS-J420X очень высокая. Для проверки, что дело именно в динамиках, а не в корпусе, установил туда такой динамик GHXAMP с добротностью 0.42 https://aliexpress.ru/item/item/32822069078.html Послезвучия исчезли.

Чтобы снизить добротность и минимизировать послезвучия, делаем панель акустического сопротивления (ПАС). Для этой цели хорошо подходят женские колготки)

Склеиваем кольцо из тонкого пластика под диаметр заднего отверстия колонок, наклеиваем двусторонний скотч на внешнюю сторону кольца, равномерно растягиваем кусок ткани колготок и наклеиваем на скотч. Затем наносим клей на внутреннюю сторону кольца, обрезаем края ткани и с натягом наклеиваем. ПАС готова!

Финальный вид колонок с установленной ПАС:

Сделал видео как звучат колонки. Сигнал подавался на усилитель через аудиовыход телевизора, а на телевизор – с ТВ бокса по HDMI. На записи звучание отличается от живого, микрофон телефона реального звучания не может передать.

Вместо заключения

Сферический корпус, по сравнению с прямоугольными корпусами, привносит минимальные интерференционно-дифракционные искажения в звучание установленного в нем динамика, что позволяет получить максимально верный, аудиофильский звук. Все преимущества сферической акустики могут полностью раскрыть только хорошие динамики. В обзоре описан процесс изготовления 5-ти слойного композитного сферического корпуса, в том числе показана техника раскроя плоских листов вибро- и звукоизоляции для нанесения на сферическую поверхность. Для создания сферического корпуса с акустическим оформлением в виде открытого ящика (т.е. негерметичным) могут подойти пластиковые основы с небольшой толщиной стенок, аналогичные использованным в обзоре.

Спасибо за просмотр этого обзора! Буду рад, если какая-то информация окажется вам полезной.

Область применения громкоговорителей

Громкоговорители имеют широкую область применения: от громкоговорителей используемых в тихих закрытых помещениях, до громкоговорителей используемых на шумных открытых площадках, в зависимости от акустических характеристик – от речевых объявлений до фоновой музыкальной трансляции.

В зависимости от условий эксплуатации и области применения громкоговорители можно разбить на 3 основных группы:

1. Громкоговорители внутреннего исполнения – используются для применения в закрытых помещениях. Для данной группы громкоговорителей характерна не высокая степень защиты (IP-41).
2. Громкоговорители внешнего исполнения – используются для применения на открытых площадках. Такие громкоговорители иногда называют уличными. Для данной группы громкоговорителей характерна высокая степень защиты (IP-54).
3. Громкоговорители взрывозащищенного исполнения (взрывозащищенные) – используются для применения во взрывоопасных помещениях или на территориях с повышенным содержанием агрессивных (взрывоопасных) веществ. Для данной группы громкоговорителей характерна высокая степень защиты (IP-67). Такие громкоговорители применяются в нефтяной, газовой промышленности, на атомных станциях и т.д.

Каждой из групп можно сопоставить соответствующий класс (степень) защиты IP. Под степенью защиты понимается способ ограничивающий доступ к опасным токоведущим и механическим частям, попадание твердых предметов и (или) воды внутрь оболочки.

Маркировка степени защиты оболочки электрооборудования осуществляется при помощи международного знака защиты (IP) и двух цифр, первая из которых означает защиту от попадания твердых предметов, вторая — от проникновения воды.

Наиболее распространенными для громкоговорителей, являются следующие степени защиты:

• IP-41
  где: 4 – Защита от посторонних предметов размером более 1 мм; 1 – Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства. Громкоговорители такого класса чаще всего устанавливаются в закрытых помещениях.
• IP-54
  где: 5 – Пылезащита, при которой некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не должно нарушать работу устройства; 4 – Брызги. Защита от брызг, падающих в любом направлении. Громкоговорители такого класса чаще всего устанавливаются на открытых площадках.
• IP-67
  где: 6 – Пыленепроницаемость, при которой пыль не должна попасть в устройство, полная защита от контакта; 7 – При кратковременном погружении вода не должна попадать в количествах, нарушающих работу устройства. Громкоговорители данного класса устанавливаются в местах, подверженных критическим воздействиям. Существуют и более высокие степени защиты.