МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

А. С. Бадаев

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Монография

Воронеж 2019

1

УДК 629.4.052.2 ББК 32.87-5

Б75

Рецензенты:

кафедра физики, теплотехники и теплоэнергетики Воронежского государственного университета инженерных технологий

(зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А. В. Буданов); канд. техн. наук, доц. О. С. Хорпяков

Бадаев, А. С.

Проектирование и конструирование высококачественных

Б75 акустических систем: монография / А. С. Бадаев; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет». – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. – 203 с.

ISBN 978-5-7731-0793-4

Приводятся основные теоретические сведения, необходимые для проектирования и конструирования высококачественных акустических систем (АС): звуковые колебания и волны, акустические сигналы, метод электромеханических аналогий. Рассмотрены классификация, устройство, принципы действия и основные характеристики громкоговорителей и АС. Разрабатываются и приводятся методы расчета и проектирования низкочастотных акустических оформлений и разделительных фильтров АС. Представлены конструкции разрабатываемых АС.

Издание предназначено для разработчиков высококачественных АС, специалистов, работающих в области электроакустики и звуковоспроизведения, а также может быть полезно студентам, аспирантам и радиолюбителям.

Ил. 169. Табл. 13. Библиогр.: 26 назв.

УДК 629.4.052.2 ББК 32.87-5

Печатается по решению научно-технического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы XX и в наступившем XXI веке быстрыми темпами развиваются системы радио- и телевещания, звукозаписи и звуковоспроизведения с их качественными изменениями, связанными в основном с применением цифровых технологий. Появляются новые форматы многоканального пространственного воспроизведения звука, новые эффективные методы модуляции и алгоритмы обработки цифровой аудиоинформации, интегрированные в компьютерную сеть Интернет. Современные оптические форматы звукозаписи SACD и DVD – Audio обеспечивают емкость 4700 Мбайт, длительность звучания до 80 минут без сжатия аудиоданных [1]. Еще более высокие показатели имеют системы магнитной записи на жесткие диски компьютеров, емкость которых достигает Гбайт при длительности звучания 100 минут. Эти форматы позволяют осуществить стереофонетическую запись и воспроизведение звука с диапазоном частот 10–105 Гц, динамическом диапазоном не менее 125 дБ и коэффициентом нелинейных искажений не более 0.001%.

Для реализации столь высоких параметров необходимо применение звукового тракта, ко всем звеньям которого предъявляются очень высокие требования. Это в полной мере относится к конечному (и зачастую определяющему в отношении качества звучания) акустическому звену тракта — акустическим системам (АС).

Современные высококачественные АС должны обладать высокой мощностью и перегрузочной способностью, широкими частотным и динамическим диапазонами, небольшой неравномерностью частотной характеристики звукового давления, высоким давлением и КПД, широкой равномерной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.

Для успешного проектирования АС, обладающих вышеперечисленными характеристиками, следует знать основные положения, определения и уравнения акустики, владеть методом электромеханических аналогий, знать основные характеристики головок громкоговорителей (ГГ), методы их измерения, выбора и доработки. Также необходимо владеть методикой расчета акустических оформлений и разделительных фильтров, их оптимальным выбором, в том числе, и выбором комплектующих элементов фильтров. И, наконец, следует разбираться в свойствах материалов, применяемых для изготовления корпусов АС, для демпфирования и звукопоглощения, а также в выборе конфигурации корпусов. Освещению этих вопросов и посвящена настоящая монография.

Здесь следует отметить один немаловажный аспект проблемы. Дело в том, что создание высококачественных АС — задача, решение которой находится на грани науки, техники и эстетики. Конечная цель разработчика — доставить слушателю эмоциональное, эстетическое удовольствие при прослушивании фонограммы любимой музыки и музыкантов, максимально приближенной к звучанию в концертном зале. Это и является причиной вечных споров «физиков и лириков» на различных форумах, споров бесполезных и, следова-

3

тельно, не нужных, поскольку истина в них не родится никогда. Но это уже вопросы более высоких порядков, выходящие за рамки монографии. Интересующихся мы отсылаем к очень хорошей и полезной книге И. А. Алдошиной [2] и ее лекциям по психоакустике. Тем не менее, нам представляется, что решение проблемы существует и выглядит, примерно, так: технически грамотное и бескомпромиссно выполненное по мнению профессионалов — «физиков» и приборов изделие удовлетворяет при прослушивании требованиям большинства подготовленных, взыскательных слушателей — экспертов «лириков», а лучше «физико-лириков».

Материалы, на основе которых написана монография, использовались при проведении курсов «Акустика», «Электроакустика» для студентов специальности «Аудиовизуальная техника» и при выполнении выпускных квалификационных работ студентов специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» на факультете радиотехники и электроники «Воронежского государственного технического университета».

Результаты работ докладывались на научных конференциях, принимали участие в конкурсах НИР, выставлялись на выставках научно-технического творчества молодых уч ных и аспирантов ВГТУ, были отмечены дипломами и грамотами и опубликованы.

Монография содержит пять глав, первые три из которых являются вводными и изложены кратко, с минимальным использованием сложного математического аппарата. Тем не менее, они необходимы для понимания последующих оригинальных глав, посвященных непосредственно расчету, проектированию и конструированию АС и дополнены ссылками на источники, в которых вопросы первых глав изложены полно и глубоко.

Монография предназначена для студентов старших курсов всех форм обучения, магистров и может быть полезна при дипломном и курсовом проектировании, а также для специалистов, работающих в областях теле- и радиовещания, звукозаписи, высококачественного звуковоспроизведения и т. п.

4

1. ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

1.1. Основные определения

Колебаниями называются ограниченные движения (или изменения состояний), повторяющиеся полностью или частично в окрестности некоторого среднего положения (положения устойчивого равновесия). Системы, которые совершают колебания, называются колебательными системами. Колебания называются механическими, если они характеризуются изменением только механических величин (например, смещения, скорости, ускорения, давления и т. п.). Звуковые колебания являются частичным случаем механических колебаний.

Периодическими называются такие колебания, в которых величина изменяющегося параметра повторяется через одно и то же время. Этот наименьший промежуток времени T называется периодом= 1/ , колебаний. Циклической частотой колебаний называют величину которая измеряется в герцах (Гц): 1 Гц — частота колебаний, период которых Т = 1с.

Периодические колебания, которые происходят по законам синуса или косинуса, называются гармоническими:

где Em — наибольшее значение изменяющейся величины называется ам-

плитудой; а ωt −ϕ0 — фазой колебаний; ϕ0 — начальной фазой; ω — круговой частотой. Круговая частота ω и частота колебаний ƒ связаны соотношением:

Фаза колебаний показывает значение изменяющейся величины в данный конкретный момент времени, она измеряется в угловых единицах — градусах или радианах (рад). Круговая частота ω выражается в рад/сек или град/сек.

Если колебания имеют одинаковую частоту, но разные начальные фазы, то их называют колебаниями сдвинутыми по фазе, которая определяется разностью начальных фаз и не зависит от начала отсч та времени.

ϕ0 — начальная фаза, определяемая величиной смещения гармонической

функции относительно начала координат может быть отрицательной, как на рис. 1.1, и положительной, как на рис. 1.2 [6].

Сдвиг гармонического колебания вправо относительно начала координат соответствует отставанию по фазе, а сдвиг влево соответствует опережению по фазе. На рис. 1.3 показаны два напряжения, из которых u1(t) опережает по фазе

напряжение u2(t) [6]. Гармоническое колебание u(t) можно представить в виде вектора на плоскости. Так, например, колебание u(t) = um cos(ωt ±ϕ) представляется в виде (рис. 1.4) [6].

5

Любое периодическое колебание может быть представлено в виде суммы нескольких гармонических колебаний, т.е. в виде гармонического ряда.

В реальных колебательных системах с потерями без внешнего источника энергии колебания затухают и называются затухающими. При затухающих колебаниях смещение:

где А — начальная амплитуда; α — коэффициент затухания; A e−αt — мгновенное значение амплитуды.

Затухающие колебания представлены на рис. 1.5 [6].

Для характеристики скорости затухания и уровня потерь пользуются так-

6

Рис. 1.5. Затухающие колебания (ϕ0 = 0)

Если колебания вызываются внешними воздействиями, то они называются вынужденными. В случае, когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой колебательной системы, амплитуда колебаний резко возрастает (рис. 1.6). Это явление называется резонансом, а частота, при которой это происходит — резонансной частотой.

Колебательные системы, в которых потери энергии пополняются за счет внутреннего источника энергии, называются автоколебательными, а самоподдерживающиеся колебания в таких системах называются автоколебаниями.

Распространение колебаний в пространстве с конечной скоростью называется волной. Скорость, с которой происходит распространение возмущения частиц среды, например, сжатие-разрежение, называют скоростью волны. Она может зависеть от параметров среды, а иногда и от частоты колебаний, в последнем случае говорят о дисперсии скорости.

Рис. 1.6. Резонансные кривые при различных затуханиях

Расстояние, которое проходит волна за один период, называется длиной волны.

7

где V — скорость волны.

Звуковые колебания (звук) — механические (акустические) колебания, которые мы слышим, с частотой 20–20000 Гц.

Звуковой волной называют периодическое распространяющееся изменение плотности воздуха (сжатие-разрежение) вдоль направления распространения звука — звукового луча, вызванное звуковыми колебаниями. В воздухе и других газах возможны только продольные волны. Скорость движения областей сжатия и разрежения воздуха от источника колебаний называются скоростью звука, которая равна 344 м/с при нормальных условиях.

Звуковое поле — это область пространства, в котором происходит распространения звуковых волн.

Фронтом звуковой волны называется элемент поверхности, соединяющий соседние точки звукового поля, имеющие одинаковую фазу. Фронт волны, как правило, имеет сложную и, иногда, изменяющуюся с расстоянием форму, мы будем рассматривать три типа волн: с плоской, сферической и цилиндрической формой.

Длина звуковой волны в соответствии с (1.6) равна λ = с∙Т = с/ƒ, где c — скорость звука в воздухе, которая зависит от внешних условий — температуры (рис. 1.7) [6] и давления, при понижении атмосферного давления c уменьшается, поскольку уменьшается плотность воздуха.

Рис. 1.7. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры при нормальном атмосферном давлении

Диапазон звуковых частот достаточно условно делят на три полосы: низ-

кие (20 – 200 Гц), средние (200 – 5000 Гц) и высокие (5000 – 20000 Гц) частоты,

частоты, которые не воспринимает человеческое ухо, называют соответственно

инфранизкими (ниже 20 Гц) и ультразвуковыми (выше 20000 Гц).

8