Типы акустических оформлений

Акустическое оформление - конструктивный элемент громкоговорителя, обеспечивающий эффективное излучение звука.

Плоский экран

Диффузор громкоговорителя излучает две звуковые волны (вперед и назад), причем сдвинутые по фазе на 180°. Если обе эти волны с тем же сдвигом фаз попадут к нашему уху, то мы вообще ничего не услышим - противофазные волны просто скомпенсируют друг друга. В реальном случае полной компенсации не происходит потому, что в направлении вперед громкоговоритель излучает более сильную волну.
Волна, возникающая сзади диффузора, приходит к слушателю более длинным путем, то есть с некоторым опозданием. На высоких звуковых частотах, когда период мал, из-за этого опоздания появляется дополнительный сдвиг фаз и противофазные волны действуют согласованно, в фазе. На средних и особенно на низких частотах опоздание составляет лишь небольшую часть периода, и заметного дополнительного сдвига фаз не получается. Способ устранения этих недостатков напрашивается сам собой: нужно просто искусственно увеличить опоздание задней волны. Сделать это проще всего с помощью акустического экрана. Даже при сравнительно небольших его размерах воспроизведение низких частот значительно улучшается. Вместе с тем 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 диаметру диффузородержателя громкоговорителя. В это отверстие последний и вставляется. Экран выполняют квадратной или лучше прямоугольной формы. Предпочтительное отношение сторон прямоугольника 2:1 ... 3:1.

Открытый корпус

Распространенный вид акустического оформления - открытый корпус. Он представляет собой ящик, у которого задняя стенка полностью отсутствует, или же имеет ряд сквозных отверстий. Головки устанавливаются обычно на передней стенке ящика. Его внутренний объем, как правило, используется для размещения деталей электрической схемы. Акустическое действие открытого оформления подобно действию экрана. Наибольшее влияние на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывают передняя стенка (на которой смонтированы головки громкоговорителей) и ее размеры. Важен не внутренний объем оформления, а площадь передней стенки.. Размеры ее из-за влияния боковых можно делать на 25 ... 40 % меньше размеров экрана.

Рис. 4.8. Зависимость неравномерности частотных характеристик громкоговорителя от акустических оформлений различной формы.

Конфигурация оформления закрытого типа оказывает большое влияние на форму частотной характеристики на средних частотах, вызывая появление многочисленных пиков и провалов в случае неудачной формы. Это хорошо видно из рассмотрения частотных характеристик (рис. 4.8) для разных конфигураций оформления: сферического (шара), куба, усеченной пирамиды, параллепипеда. Наиболее благоприятной формой является сфера.

Закрытый корпус

Очень большое распространение в последнее время приобрели закрытые системы. Преимущество их в том, что задняя поверхность диффузора не излучает, и, таким образом, полностью отсутствует акустическое "короткое замыкание". Но закрытые системы имеют другой недостаток. Он заключается в том, что при колебаниях диффузора он должен превозмогать дополнительную упругость воздуха в объеме ящика. Наличие этой дополнительной упругости приводит к тому, что повышается резонансная частота подвижной системы громкоговорителя, в результате чего ухудшается воспроизведение частот, лежащих ниже этой частоты. Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, применяют головки громкоговорителей с тяжелой подвижной системой. Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы влечет за собой понижение чувствительности акустической системы в целом. Конструктивно закрытые системы надо выполнять так, чтобы отсутствовали какие-либо щели и отверстия, наличие которых сразу же может превратить закрытую систему в открытую. Такой тип оформления характеризуется спадом частотной характеристики АС с наклоном 12 дБ/октаву ниже граничной частоты. Полная добротность головки в закрытом корпусе (Qts) зависит от соотношения эквивалентного объема головки и внутреннего объема корпуса. От значения полной добротности зависит частотная и переходная характеристики АС. Например:

при Qts = 0.5 переходная характеристика носит апериодический характер (не имеет выбросов), а частотная характеристика на резонансной частоте АС имеет спад около 6 дБ (спад по мощности в 4 раза);
при Qts = 0.57 АС имеет линейную фазовую характеристику (аппроксимация по Бесселю) с небольшим выбросом на переходной характеристике;
при Qts <= 0.707 АЧХ носит гладкий характер, на переходной характеристике появляются колебательные процессы;
при Qts > 0.707 на АЧХ появляется максимум переходная характеристика носит колебательный характер;
при Qts = 1.1 достигается максимум КПД.

Рис. 4.9. Внешний вид обычной колонки.

Корпус с фазоинвертором

Стремление получить достаточно хорошее воспроизведение низких частот при умеренном объеме акустического оформления довольно хорошо достигается в так называемых фазоинверсных системах. Их конструкция достаточно проста. В корпусе закрытой системы делается щель или отверстие. В последнее может быть вставлена трубка (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Акустическая система с фазоинвертором.

Упругость объема воздуха в оформлении резонирует на какой-то частоте с массой воздуха в отверстии или трубке. Эта частота называется резонансной частотой фазоинвертора. Таким образом, акустическая система в целом становится состоящей как бы из двух резонансных систем - громкоговорителя и оформления с отверстием. При правильно выбранном соотношении резонансных частот этих систем воспроизведение низких частот значительно улучшается по сравнению с закрытым оформлением такого же объема. Недостатком таких систем является резкий спад звукового давления на частотах ниже резонансной. Несмотря на очевидные преимущества акустических систем с фазоинвертором, очень часто такие системы, изготовленные даже опытными людьми, не дают ожидаемых от них результатов. Причина в том, что для получения необходимого эффекта фазоинвертор должен быть правильно рассчитан и настроен. Разновидностью фазоинвертора являются акустические системы с пассивным излучателем. Вспомогательный низкочастотный излучатель представляет собой низкочастотную головку громкоговорителя, лишенную магнита и звуковой катушки. Основным достоинством фазоинвертора с пассивным излучателем является возможность настройки его на требуемую частоту при меньших размерах корпуса путем изменения массы пассивного излучателя. По сравнению с закрытым корпусом у фазоинвертора больше вариантов аппроксимации частотной характеристики. В зависимости от добротности головки Qts (и желания получить гладкую АЧХ) этих вариантов может быть три:

аппроксимация квазитретьего порядка. Наиболее часто применяется при полной добротности головки (включая сопротивление разделительных фильтров) меньше 0,383. Частота среза АС в этом случае выше собственной резонансной частоты головки. АЧХ носит гладкий характер;
аппроксимация по Баттерворту четвертого порядка. Применяется при полной добротности головки (включая сопротивление разделительных фильтров) равной 0,383. При этом частота настройки фазоинвертора совпадает с резонансной частотой головки Fs. АЧХ носит гладкий характер.
аппроксимация по Чебышеву четвертого порядка. Применяется при полной добротности головки (включая сопротивление разделительных фильтров) больше 0,383. Частота настройки фазоинвертора ниже собственной резонансной частоты головки. АЧХ носит колебательный характер с заданной неравномерностью.

Переходная характеристика для всех случаев аппроксимации носит колебательный характер.
Максимум КПД достигается при значении полной добротности Qts около 0.5 и неравномерности АЧХ около 0.2 дБ. Как и для АО типа закрытый корпус, максимум КПД не соответствует получению приемлемой переходной, а иногда и частотной характеристик.
Разумеется, что говоря о "гладкой" АЧХ, имеется в виду теоретически достижимую частотную характеристику. Влияние АО и характеристики помещения в расчетных соотношениях обычно не учитывается. К достоинствам АО типа фазоинвертор (по отношению к закрытому корпусу) можно отнести следующие:

при равных объемах корпуса и равных нижних граничных частотах АС с фазоинвертором имеет КПД на 3 дБ больше закрытой;
при заданных одинаковых КПД и нижней граничной частоте АС с фазоинвертором имеет меньший объем корпуса;
при заданных одинаковых КПД и объеме корпуса АС с фазоинвертором имеет в 1.26 раза более низкую граничную частоту;
при одинаковых требованиях к максимальной акустической мощности фазоинверсная система имеет меньшую величину максимального смещения диффузора (и величину объемного смещения) в области частоты настройки фазоинвертора;
при равных объемах корпуса и равных нижних граничных частотах АС с фазоинвертором имеет более легкую подвижную систему и больший коэффициент электромеханической обратной связи BI (B - плотность магнитного потока в воздушном зазоре магнитной системы, I - длина провода звуковой катушки в зазоре).

Корпус с лабиринтом

Для того чтобы избежать акустического "короткого замыкания", в свое время было предложено акустическое оформление с лабиринтом. Один из возможных вариантов его конструкции приведен на рис. 4.11. Изображенная акустическая система состоит из корпуса, на передней панели которого укреплена головка. Задняя сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок зигзагообразный звукопровод - лабиринт. Второй конец лабиринта заканчивается выходным отверстием на одной из стенок корпуса. Поперечное сечение лабиринта обычно прямоугольное или круглое. Выпрямленная длина лабиринта должна быть равной примерно половине длины волны на низкой граничной частоте акустической системы, благодаря чему излучения из выходного отверстия лабиринта будут совпадать по фазе с излучением передней стороны диффузора.

Рис. 4.11. Устройство акустической системы с лабиринтом

Рупорные системы

Применение рупора, нагружающего подвижную систему головки громкоговорителя, очень сильно (в десяток раз) улучшает коэффициент полезного действия последней и, таким образом, дает возможность получить достаточную величину звукового давления и, следовательно, громкость при сравнительно небольшой мощности усилителя. Формой рупора, обеспечивающей наилучшее воспроизведение низких частот, является так называемая экспоненциальная. Однако для хорошего воспроизведения низких частот нужно иметь достаточное выходное отверстие рупора - устья. Его диаметр должен быть не менее l_гр/p. Отсюда для нижней граничной частоты 100 Гц, для которой длина волны составляет 3,4 м, диаметр устья должен составлять около 110 см. Для более низких граничных частот размеры устья рупора будут еще больше. Насколько спорным является применение рупорного оформления для воспроизведения низких частот, настолько же оправданным является его использование в громкоговорителях, служащих для воспроизведения средних и высоких частот, что имеет место в многочисленных конструкциях некоторых зарубежных фирм. Особенно хорошие результаты дает применение рупоров с сильно демпфированными стенками. Демпфирование производится, например, незасыхающим компаундом, заливаемым между двойными стенками рупора, изготовляемыми в этом случае из листового тонкого материала.

Рис. 4.12. Примерный вид рупорной системы.

Специализация АС

Условно все существующие АС можно разделить на двухполосные и многополосные. Двухполосные АС имеют не менее двух головок громкоговорителей, электрически разделенных на единственной частоте (для симметричных фильтров), а многополосные - не менее двух частот раздела. Как двухполосные, так и многополосные АС имеют свои достоинства и недостатки.

Двухполосные АС

Положительные стороны:

удается избежать раздела частот в критической области 200 - 800 Гц;
всего одна область совместного действия головок (область в районе частоты раздела, когда головки совместно излучают сигнал одной частоты и уровнем излучения каждой нельзя пренебрегать);
обычно небольшое соотношение диаметров головок и небольшое расстояние между ними (лучшая согласованность). Соотношение диаметров головок обусловлено требованием обеспечения линейной АЧХ и приемлемой диаграммой направленности на частоте раздела. Диаметры динамических головок составляют от 19 до 38 мм. НЧ/СЧ головка подбирается из расчета получения хорошей согласованности по указанным выше параметрам. Применение низкочастотных головок большого диаметра - 200 мм и более - может привести к неравномерности АЧХ и плохой диаграмме направленности при отклонении от оси АС;
обычно меньшие размеры акустического оформления (легче обеспечить требуемую жесткость, уменьшить дифракционные эффекты на плоскостях и гранях корпуса, большая гибкость в выборе места и высоты установки АС).

Недостатки:

требование небольшого соотношения диаметров головок не позволяет (в общем случае) получить необходимую отдачу в низкочастотном диапазоне;
большая нагрузка на НЧ/СЧ головку в диапазоне частот настройки акустического оформления (и фазоинвертор, и закрытый ящик) может приводить к возникновению многих видов линейных и нелинейных искажений.

Выбор частоты раздела головок в двухполосной конструкции является серьезным компромиссом. Так, сдвиг частоты раздела в сторону низкочастотного диапазона отрицательно сказывается на режимах работы ВЧ головки. При приближении частоты раздела к ее резонансной частоте увеличивается значение смещения звуковой катушки. Линейная величина этого смещения обычно не превышает 0,3 мм, поэтому в звучании головки может возникнуть определенная жесткость. Большинство современных ВЧ головок, находящих применение в АС класса High-End, имеют резонансные частоты, лежащие в диапазоне 500 - 1500 Гц, хотя встречаются экземпляры, у которых этот параметр лежит в пределах от 350 Гц до 8 кГц. Смещение частоты раздела в сторону высоких частот приводит к тому, что НЧ/СЧ головке приходится воспроизводить звуковые сигналы в очень широкой полосе частот. Во многих АС ее частотный диапазон может перекрывать 5-6 октав.

Рис. 4.13. Примерный вид двухполосных АС.

Многополосные

Теоретически на количество полос АС ограничений нет. Чаще всего можно встретить трех и пятиполосные конструкции. Такие системы предоставляют большую гибкость в создании для каждой из головок оптимального режима нагрузки по мощности и частотному диапазону. Но одновременно возникают несколько проблем:

большие габариты (сложнее обеспечить достаточную для отсутствия резонансов прочность, проблемы с дифракцией);
более сложные кроссоверы;
несколько областей совместного действия головок;
необходимость выравнивания звукового давления головок в частотных полосах.