2. Краткие теоретические сведения

Громкоговоритель, это электроакустическое устройство, предназначенное для преобразования электрических колебаний в звуковые колебания воздуха.

Громкоговорители классифицируются по следующим признакам.

По способу излучения звука (типу излучателя):

1. Диффузорные (прямого излучения).

2. Рупорные (излучатель звука связан с внешней средой через рупор).

3. Одиночные.

4. Групповые.

По ширине рабочей полосы частот:

1. Широкополосные (ШП).

2. Узкополосные (НЧ, СЧ, ВЧ).

По принципу преобразования энергии:

1. Электростатические (конденсаторные, пьезоэлектрические, электретные).

2. Электродинамические.

3. Электромагнитные.

4. Релейные

На практике наибольшее распространение получили диффузорные электродинамические громкоговорители (ГД – головки динамические, или динамики).

Преимущества электродинамических громкоговорителей: выдерживают значительные перегрузки; обладают большой механической прочностью; могут работать в широком диапазоне частот при высоких температурах и влажности. В акустических системах применяются электродинамические звуковые головки.

В последнее время в системах тревожного оповещения широко используются пьезоэлектрические громкоговорители.

Основные характеристики громкоговорителей

 Основные характеристики динамических громкоговорителей приведены в следующих нормативных документах: ОСТ 4.383.001 - 85; ГОСТ 9010-84 «Головки громкоговорителей динамические»; ГОСТ 16122-84 «Громкоговорители».

Измерение основных электроакустических параметров громкоговорителей осуществляется в соответствии с ГОСТ 16122-87. «Громкоговорители. Методы измерений электроакустических параметров».

Полное электрическое сопротивление, это сопротивление звуковой катушки на входных зажимах головки громкоговорителя, измеренное на НЧ и ВЧ частотах.

;

Емкостным сопротивлением 1/ (ωC) можно пренебречь, поскольку оно имеет ничтожно малую величину в диапазоне звуковых частот 1/ (ωC) ≈ 0. На звуковых колебаниях ВЧ индуктивное сопротивление ωL принимает значительную величину, общее сопротивление увеличивается и преобладает индуктивный характер.

На звуковых колебаниях НЧ индуктивное сопротивление незначительное (ωL ≈ 0) и общее сопротивление можно принять за активное сопротивление r.

В этом случае сопротивление принимается как для электрической цепи постоянного тока:

r=U/I;

Обычно в акустике используются громкоговорители с сопротивлением звуковой катушки от 4 до 16 Ом. Для рупорных громкоговорителей более 25 Ом. В акустических системах используются динамики с сопротивлением 4 Ом и 8 Ом.

Входное сопротивление громкоговорителя Z_вх. В общем Z_вх случае зависит от частоты, поэтому в справочниках приводят номинальное электрическое сопротивление – минимальный модуль полного электрического сопротивления в диапазоне частот выше частоты основного резонанса механической колебательной системы громкоговорителя.

Номинальная мощность. Номинальная мощность, это такая максимальная электрическая мощность, потребляемая громкоговорителем, при которой громкоговоритель не перегревается, его нелинейные искажения не превышают паспортных данных, и громкоговоритель не должен выходить из строя при длительном на него воздействии электрического сигнала.

При испытаниях на номинальную мощность синусоидальное напряжение берут равным номинальному, а шумовое - равным 0,707 номинального.

Акустическая мощность, излучаемая громкоговорителем измеряется в реверберационной камере и вычисляется по формуле

;

где T – время реверберации в камере, с; p – звуковое давление диффузного поля, Па; V – объем камеры, м³.

Измеренная таким образом мощность, несколько меньше той, которую развивает громкоговоритель в открытом пространстве, так как вследствие реакции диффузного поля на излучатель уменьшается его сопротивление излучения.

Частотная характеристика, это зависимость величины звукового давления (уровня давления L, дБ) в точке свободного поля, создаваемого громкоговорителем, от частоты, при неизменном напряжении, подводимом к зажимам громкоговорителя. Примерный вид частотной характеристики показан на рис. 5.

Рис. 5. Частотная характеристика громкоговорителя.

Частотную характеристику звукового давления громкоговорителя измеряют в звукозаглушенной камере во всем номинальном диапазоне частот. Устанавливая на клеммах громкоговорителя необходимое напряжение постоянной величины, измеряют уровень звукового давления (шумомером) р_ст, измерения проводятся на рабочей оси на расстоянии 1м от рабочего (геометрического) центра громкоговорителя.

Среднее звуковое давление р_ср. — сред­неквадратичное значение звукового давления, развивае­мого громкоговорителем в определенном диапазоне час­тот в заданной точке свободного поля. Усредняют зна­чения звукового давления, измеренные на частотах, рас­пределенных равномерно в логарифмическом масштабе.

Среднее стандартное звуковое давление р_ср.ст – среднее звуковое давление, развиваемое в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1м от рабочего центра при подведении к громкоговорителю напряжения, соответствующего электрической мощности 0,1 Вт. Измерения звукового давления выполняются в звукозаглушенной (безэховой) камере.

Рабочий центр – геометрический центр симметрии выходного отверстия излучателя.

Рабочая ось – совпадает с геометрической осью излучателя.

Характеристическая чувствительность Е_х – отношение среднего звукового давления р_ср., развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1м от рабочего центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности Р_э. Измерения выполняются в звукозаглушенной камере, как показано на рис.6.

Рис. 6. Схема измерения чувствительности громкоговорителя.

1 – генератор сигналов (тональный или белого шума) с фильтром розового шума; 2 – третьоктавный фильтр (применяют при измерении с шумом); 3 –усилитель низкой частоты; 4 – вольтметр; 5 – заглушенная камера; 6 – испытуемый громкоговоритель: 7 – измерительный микрофон; 8 – шумомер (милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах).

Характеристика направленности – зависимость звукового давления , развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля (находящихся на одинаковом расстоянии от рабочего центра), от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на указанную точку. Обычно характеристика направленности нормируется по отношению к осевому звуковому давлению р_ос

при r = const

Характеристика направленности изменяется в зависимости от частоты, как показано на рис.7, поэтому ее измеряют или на ряде частот, или для заданной полосы частот. Характеристика направленности, снятая в плоскости, называется диаграммой направленности (ДН), обычно изображается в полярных координатах.

Рис. 7. Зависимость характеристики направленности линейного излучателя, колеблющегося в бесконечном экране, от отношения .

Характеристики направленности рупорных громкоговорителей (с экспоненциальными рупорами) приведены на рис.8, где – граничная длина волны рупора, т.е. длина волны (критическая частота f_гр.) с которой теоретически он начинает излучать; d – диаметр устья (выходного отверстия рупора); – отношение диаметра устья к длине волны излучаемого звука.

Рис. 8. Экспериментальная зависимость характеристики направленности экспоненциальных рупоров.

Коэффициент нелинейных искажений К_н.и. – измеряют для ряда заданных частот при подведении к громкоговорителю синусоидального напряжения, соответствующего номинальной мощности, а иногда и для так называемой рабочей мощности.

К громкоговорителю, размещенному в звукозаглушенной камере (см. рис.6), подводится напряжение на заданных частотах. Микрофоном измеряются выходные уровни напряжения на основной частоте и ее гармониках (обычно второй и третьей).