Высокочастотные громкоговорители (tweeters)
Требования к высокочастотным громкоговорителям для бытовых и профессиональных акустических систем за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной (особенно электронной) музыке, а также с расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой. Все это потребовало от фирм-производителей решения целого ряда новых конструктивных и технологических задач при проектировании ВЧ-громкоговорителей (рис. 18.4).
|
|
|
Рис18.4 Конструкция высокочастотного громкоговорителя: 1– диафрагма, 2–звукопоглощающий материал, 3– медный колпачок, 4–концентратор, 5– верхний фланец, 6– магнит, 7– керн, 8– нижний фланец |
Обычно в ВЧ-громкоговорителях используются купольные диафрагмы (диаметром 15….40 мм), так как в этой области частот у конусных диафрагм не удается избежать радиальных резонансных мод собственных колебаний, значительно ухудшающих как объективные характеристики, так и звучание. Электрические мощности таких динамиков достигают 8...15 Вт (без фильтрующе-корректирующих цепей) и 20…50 Вт в составе акустических систем, а чувствительность - не менее 90 дБ/Вт/м. Мощности ВЧ-динамиков все время растут - примером может служить вышеупомянутый громкоговоритель Tannoy; имеется целый ряд моделей, где мощности превышают 100 Вт, а чувствительность достигает 100 дБ/Вт/м.
Диафрагмы ВЧ-громкоговорителей, также как у СЧ-громкоговорителей, изготавливаются из тех же "мягких" или "жестких" материалов, соответственно горячим прессованием или штамповкой, с электронно-вакуумным напылением. В качестве материалов используется алюминий, титан (в вышеупомянутой модели Tannoy ST-200 купольная диафрагма изготовлена из 25 мкм титана с напыленным слоем золота), и даже самый легкий (и самый вредный при производстве) металл - бериллий. Для повышения теплоотвода от звуковой катушки в некоторых конструкциях купол и каркас звуковой катушки изготавливаются как единая деталь из одного материала (например, алюминиевой фольги). Наряду с купольными диафрагмами в ряде моделей применяются плоские или U-образные кольцевые диафрагмы (такие ВЧ-динамики применяются в концертно-театральной аппаратуре).
Подвесы у ВЧ-громкоговорителей изготавливают обычно из того же материала, что и диафрагма (хотя встречаются и комбинированные конструкции), плоской или синусоидальной формы. Для предотвращения возникновения резонансных колебаний объема под диафрагмой, подвес, как правило, заполняется демпфирующим материалом.
Звуковые катушки ВЧ-динамиков часто наматываются алюминиевым (иногда серебряным) плоским проводом, позволяющим за счет меньшего удельного веса по сравнению с медным увеличить уровень звукового давления в области верхней граничной частоты на несколько децибел.
Специфической особенностью ВЧ-громкоговорителей является использование "акустических линз" (эквилизаторов, концентраторов), устанавливаемых перед диафрагмой, и обеспечивающих выравнивание АЧХ в определенных диапазонах, и изменение характеристики направленности.
Некоторые технические параметры, по которым нормируются громкоговорители:
• номинальное электрическое сопротивление - сопротивление катушки в качестве нагрузки постоянному току;
• полное электрическое сопротивление - сопротивление переменному току в рабочем диапазоне частот с учетом максимумов и падений сопротивления на отдельных частотах и наличия противо-ЭДС.
• частота основного резонанса - частота, при которой возрастает до пикового максимума полное электрическое сопротивление катушки;
• добротность электромеханической системы громкоговорителя. Это очень важная характеристика. Она показывает степень инерционности системы - как механической, так и электрической, и определяет скорость затухания свободных колебаний монитора;
• номинальный диапазон частот, т.е. частотная область, в которой работа громкоговорителя удовлетворяет норме;
• среднее звуковое давление - давление, развиваемое в определенном диапазоне частот и в определенной точке звукового поля при подаче определенной электрической мощности;
• характеристическая чувствительность;
• неравномерность АЧХ - разность между максимальным и минимальным давлением в номинальном (или при необходимости в каком-либо ином) диапазоне частот. У хороших громкоговорителей она не превышает 3-4 дБ;
• частотная характеристика - графическое изображение предыдущего параметра;
• направленность - изменение давления при отклонении от рабочей оси на определенный угол при неизменном расстоянии от центра;
• коэффициент гармоник (обычно 3-й гармоники и выше) - выраженный в процентах уровень гармоник, появляющихся при подаче на громкоговоритель чистого синусоидального сигнала, в котором никаких гармоник нет;
• коэффициент интермодуляционных искажений. Об этом параметре нужно сказать подробнее. Предположим, на громкоговоритель подан сигнал, содержащий две частоты 100 и 1000 Гц. В результате взаимодействия этих частот возникают комбинационные частоты (иногда некорректно называемые комбинационными гармониками) с частотами, соответствующими разности или сумме верхней частоты и частоты, кратной нижней - в нашем случае 800, 1200 , 600, 1400 Гц и т.д. Чем ниже общий уровень этих частот, тем лучше. Идеальный громкоговоритель вообще не должен генерировать эти частоты, как и любые другие, отсутствующие в исходном сигнале.
Из нескольких параметров мощности наиболее важны следующие:
• номинальная мощность - мощность, при которой нелинейные искажения не превышают заданного предела;
• "музыкальная мощность", называемая также "паспортной", "максимальной шумовой", "продолжительной" и т.д. - мощность в определенном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает при реальном или широкополосном шумовом сигнале без повреждений на протяжении некоторого времени;
• пиковая (максимальная кратковременная) мощность - мощность, которую выдерживает громкоговоритель при шумовом сигнале на протяжении короткого импульса (от 0,01 до 1n) без повреждений;
Рупорные излучатели. Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причина этого заключается в несогласованности сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для повышения сопротивления излучения нужно увеличивать размеры излучателя, но это повлечет рост механического сопротивления массы излучателя и не даст выигрыша в КПД. Поскольку диффузор выполняет две функции: преобразования механических колебаний в акустические и излучения этих колебаний в окружающую среду, разрешить такое противоречие можно только разделением этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях, Рупор служит также для согласования сопротивлений механической системы и окружающей среды. Рупором называют трубу с переменным сечением. Входное отверстие излучающего рупора (горло) меньше, чем выходное (устье). Выходное отверстие является излучателем, а входное - нагрузкой для механической системы. Таким образом, излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая система - небольшой и потому легкой.
Рис 18.5
Виды рупоров: а - сдвоенный; б - секционированный.
Рупоры применяют с различным законом изменения поперечного сечения. Наиболее распространены рупоры экспоненциальные; реже применяются конические, так как они имеют значительно менее равномерную амплитудно-частотную характеристику. Для острой направленности и более низкой границы передаваемого диапазона частот следует увеличивать выходное отверстие рупора и выбирать рупор большей длины. Для увеличения длины рупор часто свертывают или складывают. С аналогичными явлением мы сталкиваемся в духовых музыкальных инструментах: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.
Для концентрации или расстояния звуковых волн применяются акустические линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения (например, скорость распространения звуковых волн в пористых материалах или в решетках и жалюзи пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве). К недостаткам рупора можно отнести нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора, а также частотные искажения в рупорах конической формы. Рупорные электродинамические громкоговорители имеют два конструктивных варианта: узко- и широкогорлые. Площадь входного отверстия рупора в узкогорлых громкоговорителях в несколько раз меньше площади поршневой диафрагмы, в широкогорлых - эти площади или одинаковы, или близки друг к другу.
Таковы основные технические параметры громкоговорителей. Следует заметить, что обращаться с паспортными данными следует осторожно. Некоторые производители иногда называют, например, диапазон воспроизводимых частот без указания на неравномерность характеристики; при этом может выясниться, что заявленный нижний порог в 25-30 Гц обеспечивается лишь при падении давления на 10 дБ и более, что фактически является фальсификацией.
Хотелось бы отметить, что за 80 лет с момента изобретения динамического задача - передать звучание симфонического оркестра, ансамбля, голоса и др., - можно только удивляться и восхищаться гениальностью конструкции самого громкоговорителя аудиотехника проделала огромный путь: от фонографа до DVD - а громкоговоритель конструктивно принципиально не изменился. Радикально изменилась только технология его изготовления и материалы. Учитывая, что перед такой простой конструкцией (состоящей всего из нескольких элементов: диафрагмы, катушки и магнитной цепи) стоит огромная массового акустического изделия, миллиарды экземпляров которого используются во всем мире.
Акустические системы
От характеристик громкоговорителей перейдем к составляемым из них акустическим системам. К сожалению, отечественная терминология еще не устоялась и не соответствует зарубежной. Так, собственно "динамики" в нашей терминологии, особенно в старых ГОСТах, именуются "головками", а акустические системы - "громкоговорителями". В современной профессиональной и коммерческой среде используют термин "акустическая система", причем бытовые акустические системы называют по обиходному "колонками", а профессиональные студийные акустические системы "мониторами". Некоторые, запутавшись, просто перешли на транслитерацию с английского - "спикер", в их устах вовсе не председатель Думы, а динамик "вообще". При этом низкочастотный "спикер" - это "вуфер" или "субвуфер", среднечастотный - "драйвер", а высокочастотный - это "твиттер", но для него есть и русское определение "пищалка" (кстати, точный перевод слова tweeter).
Идеальная акустическая система должна иметь только один широкополосный громкоговоритель, воспроизводящий полную полосу частот 20-20000 Гц. Однако, так как к громкоговорителю предъявляют различные, а зачастую взаимоисключающие требования при работе его в различных полосах частот, сделать такой идеальный громкоговоритель практически невозможно, по крайне мере за приемлемую цену. Поэтому подавляющее большинство современных акустических систем имеют по две и более головки, работающих в различных полосах частот. Низкочастотный громкоговоритель - всегда диффузорный динамик, среднечастотный- тоже, но иногда бывают среднечастотные рупорного типа (horn). Высокочастотные громкоговорители производятся как диффузорные, так и рупорные и купольные (dome, bullet). Двухполосная система используется обычно для так называемых "мониторов ближнего поля", т.е. располагающихся непосредственно вблизи головы звукорежиссера. Один динамик в такой системе воспроизводит низкие и средние частоты, другой - высокие. Для разделения частот внутри корпуса находится разделительный фильтр (в зарубежной терминологии crossover). При этом частота разделения входного электрического сигнала для подачи на низкочастотный и высокочастотный динамики выбирается несколько выше, чем нижняя граница диапазона высокочастотного громкоговорителя. Учитывается также номинальная мощность ВЧ-громкоговорителя. Гораздо лучше воспроизводят слышимый диапазон частот 3-х полосные системы, состоящие из низкочастотного громкоговорителя (woofer), среднечастотного (mid-driver), и высокочастотного (tweeter). Работа в ограниченном диапазоне "своих" частот улучшает звучание низко- и средне- частотных динамиков и снижает искажения, т.к. генерируемые этими динамиками гармоники высокого порядка оказываются выше частоты среза фильтра и соответственно подавляются.