Глава 6. Громкоговорители и телефоны .

6.1. Определения

Громкоговорители и телефоны — это приборы, преобразующие электрические колебания в акустические. В большинстве типов громкоговорителей и телефонов электрическая энергия преобразуется в акустическую. Существуют громкоговорители, основанные на релейном принципе, в которых энергия постоянного потока воздуха преобразуется в акустическую энергию под действием акустических или механических колебаний (например, пневматические громкоговорители).

Работа громкоговорителей оценивается с помощью следующих технических показателей .

1. Номинальная мощность

2. ЧХ по звуковому давлению

3. Рабочий центр

4. Среднее звуковое давление

5. Среднее стандартное звуковое давление

6. Характеристическая чувствительность

7. Входное сопротивление

8. Характеристика направленности

9. Коэффициент осевой координации

10. КПД громкоговорителя

11. Осевая чувствительность

Дадим определения данным показателям:

Номинальная мощность Р_ном — максимальная подводимая электрическая мощность, ограниченная тепловой и механической прочностью громкоговорителя и возникновением нелинейных искажений, превышающих заданную величину. Обычно она меньше паспортной. Громкоговоритель не должен выходить из строя при длительном воздействии этой мощности.

Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению — зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля (находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра) от частоты при постоянном напряжения на зажимах громкоговорителя.

Рабочий центр — обычно геометрический центр симметрии выходного отверстия излучателя. Для сложных излучателей рабочий центр указывается в описании громкоговорителей.

Неравномерность частотной характеристики и эффективно воспроизводимый диапазон частот определяются по частотной характеристике, снятой на рабочей оси .Рабочая ось обычно совпадает с геометрической осью излучателя, а для сложных излучателей она указывается в описании громкоговорителей.

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_ст — среднее звуковое давление, развиваемое в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к громкоговорителю напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности 0,1 Вт.

В справочниках иногда приводится номинальное звуковое давление р_ном, отличающееся от среднего стандартного тем, что определяется оно при подведении номинальной мощности.

Характеристическая чувствительность Е_х — отношение среднего звукового давления p_cр, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности Р_э:

М ежду характеристической чувствительностью и средним стандартным звуковым давлением существует прямая связь: р_ст=Е_Х√0,1.

Для расчетов часто пользуются понятием осевой чувствительности громкоговорителя по напряжению, под которой подразумевают отношение звукового давления р_1, развиваемого на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра громкоговорителя в свободном поле, к подводимому напряжению: Е_ос = р₁/U. Эта чувствительность зависит от частоты.

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

Характеристика направленности — зависимость звукового давления р_θ , 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 эту характеристику нормируют по отношению к осевому звуковому давлению р_ос:

Характеристика направленности изменяется в зависимости от частоты, поэтому ее измеряют или на ряде частот, или для заданной полосы частот. Характеристику направленности, снятую в плоскости, называют диаграммой направленности. Диаграмму направленности обычно изображают в полярных координатах (рис. 6.1). При этом радиус-вектор соответствует величине R(Q) [см. (6.2)]. Иногда диаграмма направленности строится для значений 20 lg R (θ) в децибелах.

Рис. 6.1. Диаграмма направленности громкоговорителя; φ —угол излучения

Определяют ее для ряда плоскостей, проходящих через рабочую ось. Если излучатель громкоговорителя имеет осевую симметрию, то его характеристика направленности тоже будет иметь осевую симметрию. В этом случае достаточно иметь характеристику направленности только для одной плоскости. В большинстве случаев достаточно иметь диаграммы направленности для двух взаимно перпендикулярных плоскостей.

Направленность характеризуют коэффициентом осевой концентрации Ω.

Коэффициентом осевой концентрации называют отношение квадратов величин звукового давления, измеренных в условиях свободного поля на определенном расстоянии от рабочего центра громкоговорителя: на рабочей оси (р²_ос) и усредненного по всем радиальным направлениям (р²_θср), исходящим из рабочего центра :

Следовательно, для ненаправленных громкоговорителей коэффициент осевой концентрации равен единице, так как р_{θ ср}=р_ос, а для направленных — больше единицы (он может достигать нескольких десятков). Акустическая мощность излучателя представляет собой поток энергии через всю сферическую поверхность.

Коэффициент осевой концентрации можно определить еще и как отношение квадратов осевых значений звукового давления, развиваемых направленным и ненаправленным громкоговорителями, при условии, что они излучают одинаковую мощность, т. е.

Это определение показывает, что осевая концентрация энергии больше у того громкоговорителя, у которого при равной излучаемой мощности развиваемое звуковое давление на оси будет больше.

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

КПД громкоговорителя. В паспортных данных КПД громкоговорителя обычно не приводится. Вместо него указывают стандартное звуковое давление или характеристическую чувствительность, однозначно связанные между собой и с акустической мощностью.

Осевая чувствительность громкоговорителя может быть представлена в следующем виде:

где p₁/v_м— акустическая чувствительность; v_м/F=1/Z_м — механическая чувствительность; F/i = К_св — коэффициент электромеханической связи; i/U = Z_BX — электрическая характеристика; Z_м —полное механическое сопротивление подвижной системы (модуль); Z_BX — входное электрическое сопротивление громкоговорителя (модуль); p₁ — звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя; U — подводимое напряжение к нему. В заключение приведем классификацию громкоговорителей. По принципу преобразования громкоговорители делятся на электродинамические (в просторечии - динамики), электростатические и релейные. Электромагнитные из-за низкого качества звучания теперь не применяются.

По типу излучателя громкоговорители делятся на диффузорные и рупорные, а также на одиночные и групповые. Электростатические по типу преобразователя делятся на конденсаторные, электретные и пъезо-громкоговорители. К релейным относятся только пневматические громкоговорители.