10. Основные элементы акустических систем (громкоговорители, корпуса, фильтры, кабели) их на значение и особенности устройства.

Громкоговоритель

В соответствии с классификацией, принятой в международных и отечественных стандартах (IEC 268-5 и ГОСТ 161122-88), термин "громкоговоритель" применяется к "устройствам, предназначенным для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтры, регуляторы и т.д.)". Таким образом, этот термин обозначает любой акустический преобразователь, излучающий звук в воздушную среду.В отечественной технической литературе термин "громкоговоритель" применяется, в основном, для одиночного громкоговорителя (в зарубежной литературе - loudspeaker или driver), при этом в отечественном стандарте ГОСТ16122-88 он называется "головкой громкоговорителя", а устройство, включающее громкоговорители, фильтры, корпус и др., называется "акустической системой" (cabinet). В зависимости от области применения, она может обозначаться как "акустическая система", "акустический агрегат", "звуковая колонка", "аудиомонитор" и т.д.

Классификация головок громкоговорителей (далее - просто громкоговорителей) может быть произведена по различным признакам:

-принципу действия (электродинамические, электростатические, пьезокерамические, плазменные и др.);

-способу излучения (прямого излучения, рупорные);

-полосе передаваемых частот (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, широкополосные);

-области применения (телевизионные, автомобильные, студийные и др.).

Основные параметры громкоговорителей.

В современных каталогах обычно указываются следующие параметры:

-эффективно воспроизводимый диапазон частот, Гц (Frequency range) определяется из и-змеренной взаглушенной камере амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), т.е. зависимости ---уровня звукового давления от частоты;

-паспортная мощность, Вт (Rated Input Power) - мощность, при которой акустическая система может работать без повреждений в течение 100 часов на шумовом сигнале;

-максимальная кратковременная мощность, Вт (Max Input Power);

-характеристическая чувствительность, дБ/Вт/м (Sound Pressure Level) - уровень звукового -давления при подводимой мощности 1 Вт на расстоянии 1м;

-номинальное сопротивление громкоговорителя, Ом (Nominal Impedance);

-рекомендуемая частота среза для фильтра, Гц (Recommended Crossover).

-максимально допустимое смещение звуковой катушки, мм (Maximum Linear Excursion).

Устройство

Основные элементы конструкции головки громкоговорителя

Основы устройства конусного (диффузорного) электродинамического громкоговорителя прямого излучения со звуковой катушкой показаны на .Громкоговоритель состоит из трех основных частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя. В свою очередь подвижная система включает в себя гофрированный подвес, диафрагму, центрирующую шайбу, пылезащитный колпачок, звуковую катушку и выводы. Магнитная цепь состоит из магнита (кольцевого или кернового), верхнего и нижнего фланцев и керна. В зависимости от назначения головки громкоговорителя конструкция и технология изготовления всех этих элементов различается очень значительно.

Низкочастотный громкоговоритель (woofer)

АЧХ низкочастотного громкоговорителя

С точки зрения обеспечения неокрашенности звучания НЧ-громкоговорители должны иметь, помимо малых уровней гармонических искажений, как можно более гладкую (т.е. без ярко выраженных резонансов), амплитудно-частотную характеристику звукового давления, вплоть до верхней границы воспроизводимого ими диапазона частот (как правило 1500..3000 Гц). В результате экспериментов было установлено, что для того, чтобы НЧ-громкоговоритель не вносил слышимой окраски в звучание в верхней части воспроизводимого им диапазона, резонансные пики на его АЧХ должны быть не менее чем на 20 дБ ниже среднего уровня звукового давления, создаваемого акустической системой в этой области частот (после фильтрации) (рис.2).

Для удовлетворения этим требованиям при проектировании НЧ-громкоговорителей уделяется большое внимание конструктивной и технологической разработке всех его элементов: подвеса, шайбы, диффузора, пылезащитного колпачка, звуковой катушки, гибких выводов звуковой катушки, магнитной цепи и диффузородержателя.

Среднечастотные громкоговорители (mid-range)

Конструирование среднечастотных громкоговорителей, особенно для аппаратуры Hi-Fi, является наиболее сложным процессом. Это обусловлено тем, что, во-первых, в акустических системах категории Hi-Fi и High-End СЧ-громкоговорители используются в диапазонах частот от 200…800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам искажений максимальна. (Субъективные дифференциальные пороги восприятия практически всех видов искажений достигают минимума в области 1...3 кГц).

Основные принципы конструирования отдельных элементов и узлов СЧ-громкоговорителей аналогичны тем, которые применяются в НЧ-громкоговорителях, однако существует и своя специфика. СЧ-громкоговорители диаметрами 160...200 мм находят все большее применение в акустических системах, работающих совместно с НЧ-блоками (subwoofer), построенными по принципам "двойной фазоинвертор", "симметричная нагрузка", и воспроизводящими частоты не выше 150...200 Гц.

Конструкция высокочастотного громкоговорителя

Высокочастотные громкоговорители (tweeters)

В современных акустических системах высокочастотные громкоговорители используются, как правило, в диапазонах частот от 1,5…3 кГц до 30...40 кГц (зачем нужен такой широкий диапазон частот, если предел слуха составляет 20 кГц, да и то в ранней молодости, - это предмет многочисленных обсуждений в психоакустике, об этом позже).

Корпус

Необходимость корпуса вызвана тем, что на низких частотах возникал эффект короткого замыкания. Тыловая волна протекает вперёд и складывается в противофазе, передняя и задняя волна гасят друг друга и низкие частоты не слышны.

- 1. Открытый корпус - экран загнутый. 300 дм кубических... затаскивать домой можно, высота где-то чуть больше метра... 60-70годы. с 80Гц.

- 2. Закрытый корпус. 1963 изобретён компрессионный корпус (closed box, sealed box, acoustical suspension). Суть: гибкий подвес - больше гибкости воздуха в ящике. Когда ящик маленький воздух работает как пружина, а подвес - гибкий. Громкоговоритель сидит на воздушной подушке. Итого, ещё раз: маленький объём корпуса, сжатый воздух и тяжелая подвижная система (диафрагма) с гибким подвесом.

- 3.Корпус с фазоинвертором (Vented box, ported box, bass-reflection) устройство, которое поворачивает фазу (сдвигают фазу задней волны). Частота настройки фазоинвертора совпадала с первой резонансной частотой громкоговорителя.

Разновидности систем с фазоинвертором:

- лабиринт/трансмиссионная линия. Позволяет сделать сдвиг на более низких частотах (более низкая по частоте настройку фазоинвертора). Давление увеличивается только на одной частоте на 3 дБ, а потом быстро спадает - работает как фильтр 4го порядка (более круто спадают низкие частоты со скоростью 24 дБ на октаву, звук на низкой частоте кажется громче).

- фазоинвертор с двойной камерой (тоже расширяет частотный диапазон и даёт возможность настроить на более низкую частоту).

- с пассивным излучателем/радиатором. Второй излучатель без магнитной цепи, ловит заднюю волну от другого и даёт его звук в фазу. Легче настраивать, но он дороже стоит.

- корпус типа полосового фильтра или band-pass. Внутри стоит громкоговоритель, одна камера с фазоинвертером, а вторая - закрытая. Есть 4го и 6го порядка. Получается, что он сам себя фильтрует.

- изобаррик. Один громкоговоритель подкачивается другим. Стоят друг за другом в одном корпусе.

Фильтры

Практически все современные высококачественные акустические системы являются многополосными, то есть состоящими из нескольких громкоговорителей, каждый из которых работает в своем диапазоне частот. Это обусловлено тем, что практически невозможно создать динамический громкоговоритель, который обеспечивал бы излучение в широком диапазоне частот с малым уровнем искажений (в первую очередь, интермодуляционных, а также переходных, нелинейных и др.) и широкой характеристикой направленности. Поэтому в акустических системах (как профессиональных, так и бытовых) используют несколько громкоговорителей (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, иногда супервысокочастотные), а для распределения энергии звукового сигнала между ними включают электрические разделительные фильтры.

Фильтром называется устройство, пропускающее определенные спектральные составляющие в сигнале и не пропускающее (ослабляющее) остальные. Фильтр может быть реализован в виде аналоговой схемы (пассивные и активные фильтры), а также реализован программно или в виде цифрового устройства (цифровые фильтры).В современных акустических системах применяются как пассивные, так и активные фильтры (кроссоверы).

Основными параметрами, определяющими свойства фильтров, являются:

- полоса пропускания — область частот, в которой фильтры пропускают сигнал;

- полоса задерживания — область частот, где фильтры существенно подавляют сигнал;

- частота среза fср — частота, на которой сигнал ослабляется на 3 дБ по отношению к среднему уровню в полосе пропускания.

По характеру расположения полосы пропускания и полосы задерживания фильтры разделяются на четыре основных типа.

Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают низкочастотные составляющие в спектре сигнала (от нуля до частоты среза) и подавляют высокочастотные. Используются для низкочастотных громкоговорителей. Форма частотной характеристики показана на рис. 2.

Фильтры высоких частот (ФВЧ) пропускают высокочастотные составляющие (от частоты среза и выше) и подавляют низкочастотные.

Полосовые фильтры (ПФ) пропускают определенные полосы частот (от fср1 до fср2) и подавляют нижние и верхние частоты. Применяются для среднечастотных громкоговорителей, рис. 2.

Кабель

Кабель - провод от усилителя к акустической системе.

1) большое диаметр, чтоб не было пересыщения;

2) общее сопротивление кабеля, чтоб было маленькое, чтоб не было потери мощности (меньше 0,5 Ома);

3) чтоб не было спада на высоких частотах (если посмотреть на схему кабеля, можно увидит, что это аля фильтр низких частот).

11. Основные виды низкочастотных оформлений в акустических системах (закрытые, с фазоинвертором, с пассивным излучателем, типа "полосовых фильтров" и др). Принципы устройства, акустические характеристики.

В настоящее время используется большое многообразие конструкций низкочастотных оформлений: с пассивным излучателем, с двойной камерой, типа "лабиринт", типа "полосовой фильтр" и др. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки (об этом поговорим в следующих статьях). Принципиально важным этапом в их развитии явилась создание в 1971-1973 годах теории расчета низкочастотных оформлений (авторы Neville Thiele и Richard Small), основанной на аналогии с теорией фильтров. Это позволило перевести на научную основу проектирование корпусов, создать соответствующие компьютерные программы, которые широко используются в практике проектирования громкоговорителей. Для обеспечения качественного воспроизведения средних и высоких частот были отработаны различные способы звуко- и виброизоляции, а также созданы овальные формы корпусов (в основном для высокочастотных громкоговорителей) для снижения дифракционных искажений.

Если в корпусе установлены два одинаковых громкоговорителя на один фазоинвертор, то это называется "низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой" (если громкоговорители включены в противофазе, то такое соединение называется "push-pull"). Такого типа оформления часто используются в настоящее время в низкочастотных блоках (субвуферах), которые широко применяются в аппаратуре для домашнего кинотеатра и др.В этих же блоках используются двойные оформления (типа Isobarik), когда два низкочастотных громкоговорителя нагружены на закрытую дополнительную камеру. Один работает на внутренний объем (закрытый или с фазоинвертором), другой излучает во внешнюю среду — это позволяет снизить частоту среза, уменьшить уровень гармоник, особенно четных, и уменьшить общий объем системы (рис. 9).

теория расчета основных видов низкочастотных оформлений глубоко проработана и практически полностью переведена на компьютерные методы. Приближенные методы расчета будут приведены в следующей статье.