3.2. Излучатели звука

К звукоизлучателям относятся головки громкоговорителей, абонентские громкоговорители, акустические системы и наушники.

Головки громкоговорителей

Головкой громкоговорителя, или динамиком, называется электроакустическое устройство, преобразующее электрические сигналы звуковой частоты в звуковые колебания.

Электроакустические параметры

К важнейшим параметрам, характеризующим функциональные свойства динамиков, относятся: полное электрическое сопротивление, коэффициент нелинейных искажений, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), номинальный диапазон частот, выходная мощность и чувствительность.

Полное электрическое сопротивление головки громкоговорителя – это сопротивление переменному току на частоте 1000 Гц, измеренное на зажимах головки. Иногда полное электрическое сопротивление называют импедансом.

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник). Нелинейные искажения характеризуются появлением в выходном сигнале аппарата частот (новых гармоник), отсутствовавших во входном сигнале. Отношение (в процентах) суммарного звукового давления новых гармоник к значению всего звукового давления, развиваемого головкой громкоговорителя, называется коэффициентом нелинейных искажений. Искажения до 2 % слушателем не ощущаются, до 6 % - практически незаметны, до 8 % становятся заметными.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) выражает зависимость звукового давления от частоты подводимого сигнала. Обычно выражается графически. Одним из качественных показателей амплитудно-частотной характеристики является её неравномерность. Математически она выражается в децибелах, как отношение максимального и минимального звукового давления в заданной полосе частот.

Номинальный диапазон частот – полоса воспроизводимых звуковых частот, в пределах которой неравномерность частотной характеристики не превышает заданной величины. Чем ближе диапазон воспроизводимых частот к полосе 20–20000 Гц, тем выше естественность и верность звучания. Если этот диапазон шире, чем 30 –15000 Гц, то воспроизведение музыкальных произведений считается отличным, если в пределах этого диапазона, но не уже 50 – 10000 Гц – хорошим, если в пределах этого диапазона, но не уже 100 – 6000 Гц – удовлетворительным.

Следует учитывать, при каком уровне неравномерности АЧХ задается номинальный диапазон частот. Если неравномерность АЧХ задается на уровне 2-3 дБ, то сигналы на всех частотах в пределах диапазона будут прослушиваться нормально, если же неравномерность будет составлять 15-16 дБ, то при таком уровне неравномерности отдельные частоты не будут прослушиваться.

Номинальная мощность (иногда называемая музыкальной мощностью) – наибольшая электрическая мощность, при которой излучатель воспроизводит звук без превышения заданного уровня нелинейных искажений. Выходная мощность измеряется в Вт (или в вольт-амперах, VA). Считается, что 1 Вт выходной мощности громкоговорителя достаточен для нормального озвучивания жилой площади размером 10 м² . Большой запас номинальной мощности позволяет воспроизводить сигнал при пониженной громкости, но с меньшими искажениями. Неудивительно поэтому, что многие любители музыки приобретают колонки мощностью 30-50 Вт и более. Обычно номинальную мощность зарубежной аппаратуры обозначают аббревиатурой DIN - это выходная мощность при 1 % уровне нелинейных искажений.

Максимальная мощность – это мощность, при которой головка громкоговорителя может работать, но без каких либо гарантий качества звучания. По отраслевому стандарту ОСТ 4.383.001-85 «Головки громкоговорителей динамические. Общие технические условия» основным параметром принята не номинальная, а максимальная мощность головок. Она же указывается и в обозначении модели. Обычно этот показатель указывают не для характеристики громкости звучания, а как показатель перегрузочной способности головки громкоговорителя. Различают максимальную выходную мощность с аббревиатурой RMS - значение выходной мощности при 10 % нелинейных искажений и с аббревиатурой PMPO - пиковая суммарная мощность, т.е. максимальная мощность без учета уровня нелинейных искажений, которую может кратковременно выдержать головка громкоговорителя. Она может достигать предельно высоких величин (до 1000 Вт)

Частота основного резонанса – частота собственных колебаний механической системы головки. Она обычно определяет предел колебаний по низкой частоте.

Маркировка

Наименование головок состоит из цифр и букв: первые цифры указывают на паспортную (максимальную) электрическую мощность в ваттах; Буквы ГД – головка динамическая; далее следует буква, соответствующая виду головки: Н – низкочастотная, С – среднечастотная, В – высокочастотная, Ш – широкополосная; последующие цифры указывают на порядковый номер разработки головки. Затем могут быть указаны номинальное электрическое сопротивление и частота основного резонанса. Например, наименование ЗГДШ–2-8-140 расшифровывается так: Головка динамическая широкополосная с излучаемой мощностью 3 вт, 2 – порядковый номер разработки, 8 - входное сопротивление в омах, частота основного резонанса 140 Гц. Резонансная частота указывает, что нижней границей басов для этого динамика является звуковая частота 140 Гц.

Классификация головок громкоговорителей

Головки громкоговорителей классифицируются по виду преобразователя электрических колебаний в звуковые сигналы, по ширине диапазона воспроизводимых звуковых частот, по номинальной мощности излучения и др.

По виду преобразователя головки громкоговорителей, делятся на электродинамические, электростатические, пьезоэлектрические и изодинамические.

Принцип работы динамических, электростатических и пьезоэлектрических головок показан в главе 1. Изодинамические излучатели выполнены в виде тонкопленочной системы проводников, расположенных на тонкой диэлектрической мембране, находящейся в поле плоского магнита. Такие излучатели способны воспроизводить колебания с частотами от 2 до 40-50 кГц, например, 10ГИ-1. Промышленность выпускает изодинамический высокочастотный громкоговоритель (диапазон воспроизводимых частот - 2-30 кГц.)

В бытовой радиоэлектронной аппаратуре нашли применение, в основном, электродинамические головки (динамики).

В зависимости от диапазона воспроизводимых звуковых частот головки громкоговорителей подразделяют на: широкополосные, низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.

Широкополосные головки обычно встраиваются в портативную радиоаппаратуру и телевизоры. Они используются для воспроизведения всего спектра звуковых частот. Нижняя частота рабочего диапазона различных типов широкополосных головок составляет 63-315 Гц, а верхняя – 5-12,5 кГц.

Создать один динамик с более широким звуковым диапазоном частот практически очень сложно. Для воспроизведения низких частот необходимы массивные диффузоры, больших размеров. Высокие частоты лучше воспроизводят диффузоры небольших размеров - "пищалки"

Диаметр низкочастотных головок составляет от 150 до 300 мм. Среднечастотные динамики отличаются от низкочастотных лишь размерами. Они имеют диффузор диаметром от 40 до 120 мм.

Диаметр диффузора или излучающей мембраны высокочастотных динамиков "пищалок" лежит в пределах от 10 до 50 мм. Замечательной особенностью высокочастотных динамиков является высокая направленность излучения или малый угол рассеивания, обычно, в пределах 15-30° относительно центральной оси. Это дает возможность значительно расширить стереофоническую базу малогабаритной радиоаппаратуры.

По номинальной мощности головки располагаются в ряд (по ГОСТ 9010-78): 0,10; 0,25; 0,50; 1,00; 2,00 и т.д. до 100 Вт.

Абонентские громкоговорители

Проблемой эффективного использования головок является наличие эффекта короткого акустического замыкания. Когда диффузор динамика создает впереди себя избыточное давление воздуха, а сзади - разрежение, то уплотненный воздух спереди устремляется в область разрежения, что приводит к резкому уменьшению интенсивности излучаемых волн, особенно, на низких частотах. Для устранения этого эффекта необходимо соответствующее акустическое оформление.

К акустическому оформлению относятся части громкоговорителя, не участвующие непосредственно в преобразовании электрических сигналов в звуковые, но влияющие на качество и эффективность излучения звука (корпус, звукопоглотители, насадки, решетки и т.д.).

Головки громкоговорителей вместе с акустическим оформлением, предназначенные для озвучивания квартир через трансляционную сеть, называются абонентскими громкоговорителями. Абонентские громкоговорители могут быть одно- и трехпрограммные.

Однопрограммный громкоговоритель состоит из корпуса, в котором находится звуковоспроизводящая головка, согласующий трансформатор для трансляционной сети на 15 или 30 В, регулятор громкости, и соединительный шнур с вилкой.

Громкоговорители делят на три группы сложности – первую, вторую и третью. Абонентские громкоговорители первой группы сложности отечественной промышленностью не выпускаются. Диапазон воспроизводимых частот у громкоговорителей второй группы сложности составляет 100-12500 Гц, третьей – 160-7100 Гц.

Трехпрограммный громкоговоритель содержит дополнительно приемник прямого усиления. Первую (основную) программу громкоговоритель воспроизводит как обычный абонентский громкоговоритель без расхода электроэнергии. Для приема второй и третьей программ, передаваемых по проводам на высокой частоте 78 и 120 кГц, соответственно, требуется питание от сети переменного тока, которое он получает через встроенный блок питания.

В зависимости от величины электроакустических параметров трехпрограммные приемники делят на три группы сложности: первую, вторую и третью. Максимальный диапазон воспроизводимых частот для приемников первой группы сложности (по первой программе), составляет 63-10000 Гц, второй группы – 100-6300, третьей группы - 160-6300 Гц.

Акустические системы

Недостатком громкоговорителей является ограниченный диапазон воспроизводимых звуковых частот. Отдельный громкоговоритель не может воспроизвести звуковое поле, которое в природе создается множеством источников звука.

Современная высококачественная звуковоспроизводящая аппаратура немыслима без излучателей нового поколения - акустических систем (АС) или колонок.

Конструкционные особенности АС

Акустическая система обычно состоит из нескольких динамиков и акустического оформления. Чтобы обеспечить равномерное воспроизведение всего диапазона звуковых частот в колонках применяют совместно низкочастотные (30-1000 Гц), среднечастотные (200-5000 Гц) и высокочастотные (от 2000 до 25000 Гц) головки.

В электрическую цепь каждого динамика включены электрические полосовые фильтры, называемые кроссоверами. Кроссоверы осуществляют калибровку поступающих с усилителя сигналов по частоте и в зависимости от этого направляют их на соответствующий динамик. Наиболее качественные колонки могут раздельно воспроизводить до 4 полос звуковых частот. Номинальная мощность колонки равна суммарной мощности динамиков, входящих в её состав.

Акустическое оформление включает корпус, звукопоглощающие материалы, различные перегородки и лабиринты. Конструкторы, разрабатывающие колонки, стремятся всячески уменьшить резонансную частоту, которая определяется объемом воздушной массы внутри колонки. Ранее было показано, что резонансная частота определяет нижнюю границу диапазона воспроизводимых колонками звуковых частот, то есть основной фактор их конкурентоспособности.

Чем больше размер колонки, тем ниже её резонансная частота. Чтобы снизить резонансную частоту акустической колонки до уровня 20-30 Гц, объем колонки доводят иногда до 200 литров. Заполнение корпуса звукопоглотителями дает возможность уменьшить объем колонки на 30 %, не ухудшая их акустических свойств. В качестве звукопоглотителей используют обычно пористую резину, поролон стекловату и др.

Известны колонки с непараллельными, наклонными стенками, внутри колонок устанавливают наклонные перегородки, устраивают лабиринты для воздушных потоков. Такая конструкция препятствует образованию стоячих волн и резонансных явлений в корпусе. На рис. 2.8. показаны основные типы корпусов колонок

Рис. 3.1. Основные типы корпусов колонок

а) закрытый; б) с фазоинверторным отверстием спереди;

в) с фазоинверторным отверстием сзади; г) с лабиринтом

Для улучшения воспроизведения басов в современных акустических колонках применяют фазоинверторы. Фазоинвертор представляет собой трубу определенного сечения и длины, вставленную в отверстие на передней или задней стенке колонки. Фазоинвертор выводит звуковые колебания низких частот, излучаемые задней стороной диффузора динамика, на переднюю панель с изменением их фазы на противоположную. В результате амплитуды звуковых колебаний от передней и задней стороны диффузора складываются, при этом громкость низкочастотных колебаний заметно возрастает.

На низких частотах диффузор динамика работает, как поршень. Увеличение хода диффузора – это ещё одна возможность уменьшить его диаметр и, соответственно, размеры акустической системы, в которую он входит. У лучших низкочастотных головок ход поршня достигает 20 мм. Для увеличения эластичности практикуется глубокое гофрирование диффузоров. Для их изготовления используют бумагу сотовой структуры, армированную графитовыми волокнами и слюдой и обклеенную с двух сторон фольгой или пленкой.

Чтобы избежать дребезжания, колонки комплектуют звукопоглощающими стойками. Это специальные подставки, приподнимающие колонки до уровня человеческого роста, что обеспечивает наилучшее восприятие звука.

К числу новинок можно отнести колонки с пассивным диффузором и активной воздушной связью. Такие колонки содержат внутри воздушную герметическую камеру. В переднюю панель колонки вставлен пассивный диффузор с мягкой подвеской. Внутри камеры установлен активный громкоговоритель. Колебания от громкоговорителя к пассивному диффузору передаются через воздушную подушку. Такая конструкция существенно снижает резонансную частоту колонки и повышает отдачу на самых низких частотах. Колонки с активной воздушной связью, особенно эффективны в микроминиатюрной звуковоспроизводящей аппаратуре.

Электроакустические параметры АС

Потребительские свойства акустической системы, в основном, зависят от электроакустических параметров головок громкоговорителей, из которых она состоит, а также от свойств, формируемых конструкционными особенностями самой колонки. К ним относятся: число полос, частота основного резонанса, чувствительность, импеданс, и др.

Число полос. Для наиболее совершенных АС характерно наличие трех и даже четырех воспроизводимых звуковых полос. Каждая полоса частот может воспроизводиться одним или двумя динамиками.

Частота основного резонанса – частота собственных колебаний механической системы колонки. Чем ниже резонансная частота, тем более низкие звуковые частоты способна воспроизводить акустическая система.

Чувствительность АС или её отдача – это громкость в децибелах, при мощности 1 Вт на расстоянии 1м от динамика. Чем выше чувствительность, тем громче звучание АС при одной и той же излучаемой мощности. Хорошими считаются колонки с чувствительностью около 85-90 дБ/Вт/м.

Импеданс - полное электрическое сопротивление колонки переменному току на частоте 1000 Гц, измеренное на зажимах проводов.

Классификация

и ассортимент акустических систем

АС классифицируются по оформлению, по степени герметичности корпуса, по типу активности, по количеству полос и по группам сложности.

По оформлению корпуса колонки могут напольные, настенные и подвесные: прямоугольной, шарообразной или эллипсоидной формы.

По степени герметичности колонки делятся на открытые, закрытые и с фазоинвертором.

В открытых АС задняя стенка имеет отверстия. Обычно  это самые дешевые колонки с одним широкополосным громкоговорителем. Недостатком их является склонность к акустическому короткому замыканию и низкая чувствительность (отдача).

Корпус колонки закрытого типа свободен от этих недостатков, однако в нем из-за упругости воздуха резонансная частота заметно возрастает, что ограничивает воспроизведение низких частот. Исключение составляют компрессионные колонки. Такая конструкция существенно снижает резонансную частоту системы и повышает её отдачу на самых низких частотах

По характеру функционирования колонки могут быть активные и пассивные.

Активными называют колонки, внутри которых размещается свой усилитель мощности.

Большой спрос на активные колонки возник в связи с внедрением миниатюрных проигрывателей (плееров) и компьютеров (мультимедиа), которые обычно не имеют собственных мощных усилителей.

К недостаткам активных колонок относится то, что размещенный в них мощный усилитель занимает часть активного объема ящика, увеличивая его резонансную частоту, тем самым, срезая низшие частоты из спектра воспроизводимых звуковых частот.

Пассивные колонки предназначены для работы совместно с усилителем сигналов звуковой частоты.

По количеству полос акустические системы делятся на двух-, трех- и четырехполосные. Чем больше полос, тем выше качество звуковоспроизведения.

В зависимости от величины параметров АС делят на три группы сложности: высшую (полоса частот – 40-25000 Гц), первую - (50-2500), вторую – (100-8000).

По номинальной мощности колонки могут быть (ГОСТ 23262-88) на: 3, 6, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100 Вт. По техническим условиям допускается изготовление АС большей мощности.

Пример 3.1.

Колонки звуковые Odeon - 100Bт

Ч увствительность 89 дБ

Частотный диапазон 60 Гц - 22 кГц

Номинальная мощность 50 Вт

Сопротивление 8 Ом

Акустическое оформление Закрытый

Магнитная защита Да

Отделка Шпон

Вес 3 кг

Количество полос 2

Материал СЧ динамика Полипропилен

Материал НЧ динамика Полипропилен

Материал корпуса ДВП

Рекомендуемая мощность усилителя – 50 Вт

Пиковая мощность 100 Вт

Тип размещения Полочный

Разъем Винтовой

Цвет Черный

Одной из разновидностей акустических систем являются сабвуферы. Сабвуфер (в свободном переводе "ухатель") представляет собой акустическую колонку с одним или двумя низкочастотными динамиками. Основное назначение сабвуфера – дать мощное и сочное воспроизведение басов на частотах 16-30 Гц.

Сабвуфер позволяет не только прослушать, но и прочувствовать всем организмом звучание самых низких регистров органа, натуральные раскаты грома и рев морского шторма.

Так как направленность звучания по низкой частоте незаметна, то в стереофонической аппаратуре используют не два, а один сабвуфер, который имеет два входа для низких частот с обоих стереоканалов.

Пример 3.2.

Сабвуфер.Signanure 30 CH

Габаритные размеры (В*Ш*Г) 43*35*41 см

Выходная мощность 150 Вт/канал

Регул. частоты среза в.ч. 50 - 150 Гц