3.Акустическая система.

Определения. Электроакустика как неотъемлемая часть радиовещания являет­ся довольно самостоятельной и специфич­ной областью, занимающей место посреди­не между чистой акустикой (как разделом физики) и радиоэлектроникой. Это приводит к тому, что электроакустика оперирует поня­тиями и единицами измерения, присущими только ей. Поэтому для успешного понима­ния дальнейшего изложения необходимо с этими понятиями познакомиться, чтобы исключить весьма распространенную пута­ницу в терминологии.

Громкоговоритель (или акустическая система - АС) - это отнюдь не то, что на радиожаргоне называют «динамиком». Это разница получилась огромная, и широкопо­лосный громкоговоритель превратился в низкочастотный.

Номинальная мощность при допустимом коэффициенте нелинейных искажений. При оценке номинальной мощности излучателя наблюдается такая же взаимосвязь с возни­кающими искажениями звука, что и в преды­дущем случае. Другими словами, номиналь­ную выходную мощность нельзя однознач­но определить или установить, не увязав ее с величиной нелинейных искажений, созда­ваемых самим излучателем.

Физика процесса состоит в том, что при достаточно малых амплитудах колебания диффузора и подвижной системы, включа­ющей звуковую катушку, последняя совер­шает линейные колебания внутри магнитно­го зазора, что обеспечивает относительно линейный характер зависимости формы зву­ковых колебаний от формы подводимых к катушке электрических колебаний.

По мере увеличения подводимого элект­рического сигнала увеличивается мощность излучения звука, но одновременно за счет увеличения амплитуды колебаний звуковой катушки она с какого-то момента начинает выходить за пределы внутреннего магнитно­го зазора, т.е. возникает так называемый кра­евой эффект, в результате чего имевшаяся линейная зависимость нарушается, что и при­водит к появлению нелинейных искажений. Величина этих искажений стремительно возрастает по мере увеличения подводи­мого сигнала, что приводит к совершенно недопустимым (на слух) искажениям звука. Поэтому ГОСТом максимальная мощность громкоговорителя (равно как и излучающей головки) определяется значением мак­симально допустимых нелинейных иска­жений.

Полное сопротивление звуковой катуш­ки. Входным элементом излучающей голов­ки является цилиндрическая звуковая катуш­ка (однослойная или многослойная), намо­танная медным (иногда алюминиевым) про­водом на бумажном каркасе и помещенная в рабочий зазор магнитной системы. Такая катушка обладает одновременно активным сопротивлением, обусловленным сопротив­лением медного провода и не зависящим от подводимого сигнала, и реактивным (индук­тивным) сопротивлением, которое, напро­тив, увеличивается с увеличением частоты подводимого сигнала. Поэтому ГОСТ определяет входное со­противление головки как сумму активной и реактивной составляющих полного сопро­тивления, измеренного на частоте 1000 Гц. Для излучателей отечественного производ­ства установлены несколько стандартных значений полного сопротивления: 4, 8, 16 и 50 Ом. В аппаратуре импортного произ­водства могут встречаться излучатели с дру­гими значениями полного сопротивления, на что необходимо обращать внимание при за­мене импортного громкоговорителя на оте­чественный.

При этом надо помнить, что использова­ние заменяющей головки с большим номи­нальным сопротивлением приводит к суще­ственному снижению громкости звучания, а с меньшим – резко увеличивает нелиней­ные искажения.

Рис 8

Конструктивное оформление акусти­ческих систем. Ранее упоминалось, что в зависимости от оформления АС их подраз­деляют на четыре группы. Рассмотрим каж­дую из них подробнее.

Системы открытого типа. Прежде всего ознакомимся с такими понятиями как акус­тическое короткое замыкание и отражатель­ная доска, без чего трудно понять принцип конструирования любых АС. Диффузорная излучающая головка изда­ет звук путем создания механических коле­баний частиц воздуха, расположенных перед диффузором. Диффузор работает наподо­бие поршня, создавая перед собой попере­менно то уплотнение воздуха, то его разре­жение. Столб воздуха перед диффузором (а стало быть и интенсивность воспроизво­димых звуков) был бы значительно более плотным, если бы не одно «но». Дело в том, что при движении диффузо­ра вперед перед ним создается сжатие воздуха, но одновременно с этим с тыльной стороны диффузора создается равное по ве­личине разрежение. Естественно, что слой сжатого воздуха непосредственно перед диффузором, вместо того чтобы передавать сжатие дальше, устремляется в область раз­режения, огибая края диффузора и нейтрали­зуя избыточное давление перед диффузо­ром. Происходит так называемое акустичес­кое короткое замыкание, резко снижающее эффективность работы излучателя.

Для борьбы с этим злом необходимо как-то изолировать преддиффузорное про­странство от задиффузорного. Идеальным решением проблемы было бы размещение излучателя на абсолютно жесткой плоскости неограниченной площади с отверстием, рав­ным диаметру диффузора. И хотя такое ре­шение абсолютно нереально, оно тем не менее предопределило путь, по которому пошли конструкторы АС.

Одиночный излучатель стали размещать на доске ограниченного размера, в центре которой вырезалось отверстие, равное ди­аметру диффузора. Здесь надо отметить, что звуковые волны, как и любые другие, ха­рактеризуются длиной волны, поэтому эф­фект акустического короткого замыкания сказывается по-разному для звуков разной высоты тона. Больше всего от него «страда­ют» самые длинные волны. По мере укоро­чения длины волны эффект акустического короткого замыкания ослабевает, поэтому излучатель, работающий без отражательной доски, в первую очередь «теряет» более низ­кие частоты, тогда как на наиболее высоких частотах излучаемого диапазона этим эф­фектом можно даже пренебречь.

Отсюда понятно стремление конструкто­ров максимально увеличивать размер отра­жательной доски. И тут им на помощь при­шло «спасительное» решение. Оказалось, что края отражательной доски можно, образ­но говоря, «загнуть» в сторону тыльной сто­роны диффузора, заменив большую плоскую доску прямоугольным ящиком без задней стенки. Такая замена как бы сохраняла пло­щадь отражательной доски, существенно уменьшая внешние размеры конструкции. Так появились АС открытого типа.

Эти системы обеспечивали вполне удов­летворительное воспроизведение самых нижних частот звукового диапазона, не сни­жая «отдачи» звуковой головки, но тем не ме­нее оставались достаточно громоздкими. Для снижения размеров футляра напрашивалось очень простое, на первый взгляд, решение: зак­рыть наглухо открытый сзади футляр, полнос­тью изолировав пространства спереди и поза­ди диффузора, что будет эквивалентно отра­жательной доске неограниченных размеров.

Однако наделе это оказалось не так. Дело в том, что, закрыв наглухо футляр, мы тем са­мым создаем герметичный цилиндр, в кото­ром диффузор излучателя выполняет роль поршня. И если в открытой системе движе­ние диффузора вперед никак не препятство­вало созданию равного разрежения позади него, то в герметичном цилиндре движению диффузора вперед будет энергично препят­ствовать создаваемое им же разрежение в цилиндре. Иными словами, для «раскачива­ния» диффузора до той же амплитуды в зак­рытой системе к головке потребуется подво­дить значительно большую электрическую мощность, т.е. КПД закрытой системы значи­тельно ниже КПД открытой системы. И тем не менее, АС закрытого типа (иначе их называют «компрессионными») не только нашли широчайшее распространение, но на сегодня в массовой БРТА почти полностью вытеснили системы открытого типа.

Дело здесь в том, что с появлением мощ­ных транзисторов для оконечных каскадов полупроводниковых УЗЧ, обеспечивающих неискаженную выходную мощность усилите­ля в десятки и даже сотни ватт при исключи­тельно высоком КПД усилителя, оказался несущественным главный недостаток комп­рессионных АС - их низкий КПД. В то же время компрессионные АС имеют ряд неоспоримых преимуществ перед системами открытого типа именно:

• полностью исключено акустическое ко­роткое замыкание между фронтальной и тыльной сторонами диффузора громкого­ворителя, что увеличивает относительную (но не абсолютную!) отдачу на крайних низ­ших частотах и, следовательно, уменьшает общую неравномерность частотной характе­ристики за счет этой части спектра;

• за счет относительного улучшения из­лучения нижних частот (см. предыдущий пункт) удается существенно уменьшить га­бариты футляра при сохранении качества звучания в басовом регистре;

• за счет того, что диффузор работает как поршень в закрытом цилиндре, резко возра­стает сопротивление внутреннего объема воздуха в футляре, что приводит к быстрому затуханию свободных колебаний диффузо­ра, а это эквивалентно увеличению фактора демпфирования.

Что касается двух других систем – с фазозоинверторами и пассивными излучате­лями. то прежде чем переходить к описанию, следует остановиться на следующих соображениях. ,

Для достоверного воспроизведения зву­ка АС должна обеспечивать достаточную мощность во всей полосе воспроизводимых частот звукового спектра - практически от 16. ..20 Гц вплоть до 20...22 кГц. С этими па­раметрами напрямую связан выбор типов и количества громкоговорителей, способных решить эту задачу. Здесь нам снова потре­буется небольшое отступление в область теории, без чего многое из дальнейшего может оказаться непонятным. Начнем с фи­зики работы громкоговорителя. Для эф­фективного излучения самых низких частот диффузор громкоговорителя должен иметь максимально возможную излучающую по­верхность (площадь конуса), предельно мяг­кую подвеску (эластичный гофр и неболь­шую упругость подвеса), что влечет за собой

достаточно большую инерционность всей системы. Впрочем, на низших частотах диа­пазона это практически не сказывается на качестве звучания басовых инструментов.

Для эффективного воспроизведения выс­ших частот диапазона (начиная с 8...10 кГц) требования к громкоговорителю меняются на прямо противоположные. Диффузор мо­жет быть очень небольшого размера, но обязательно жестким: очень часто для дос­тижения этой цели бумажный диффузор пропитывают бакелитовым лаком, а у наиболее дорогих моделей (преимущественно западных фирм) делают из пластмассы или легкого дюраля. Подвеска катушки делается весьма жесткой и максимально безынерционной.

Даже уже сказанного достаточно, чтобы понять, что для эффективного излучения широкого спектра частот одним громкогово­рителем не обойтись. И действительно, абсолютное большинство широкополосных акустических систем состоит из трех и бо­лее разных излучателей.

Почему из трех, а не из двух? Потому что хороший низкочастотный громкоговоритель с низкой частотой собственного механичес­кого резонанса эффективно излучает лишь частоты не выше 4...6 кГц, а высокочастот­ные головки начинают работать с частот

8...10 кГц, так что средний участок рабочего диапазона попадает в «зону провала». Чтобы этот участок заполнить, обычно в состав системы включают третий, так называемый широкополосный громкогово­ритель средней мощности (3...5 Вт), к отно­сительно большому диффузору которого приклеен небольшой жесткий конус для улучшения излучения высоких частот. И хотя мера эта паллиативная, все же удается дос­тичь полосы частот у таких громкоговорите­лей в пределах от 60...80 Гц до 10...12 кГц с приемлемой степенью неравномерности.

Слова «... с приемлемой степенью не­равномерности ...» снова возвращают нас к прямой зависимости реальной полосы воспроизведения АС от степени этой самой неравномерности. И тут выясняется, что сте­пень неравномерности СЗД отдельной излу­чающей головки, которая не может быть изменена никакими ухищрениями, сравни­тельно легко поддается корректировке (в сторону уменьшения) с помощью ряда спе­циальных мер в процессе конструирования АС третьего и четвертого типов, т.е. с фазоинверторами и с пассивными излучателями.

Одна из таких мер - соответствующий подбор типов излучающих головок, формиру­ющих полный спектр. На рис. 9 кривая 1 представляет собой кривую СЗД некоего ги­потетического низкочастотного излучателя, а кривая 2 - среднечастотного. Излучатели по­добраны так, чтобы «выбросы» одного по воз­можности совпадали со «впадинами» друго­го. Кривая 3 является суммой кривых 1 и 2.

Для большей наглядности эта кривая уменьшена по высоте в два раза и преобра­зована в кривую 4. Даже визуально становит­ся очевидным, насколько суммарная харак­теристика СЗД двух грамотно подобранных громкоговорителей равномернее характе­ристики каждого из них отдельно.

Впрочем, такое идеальное сочетание ха­рактеристик двух разнотипных излучателей встречается не часто, однако установлено, что увеличение числа разных типов головок в одной АС заметно нивелирует общую кри­вую СЗД всей системы. Именно поэтому в дорогих импортных АС число отдельных го­ловок нередко приближается к десяти.

Для борьбы с другими «остаточными» выбросами и провалами существует нема­ло различных способов. Так, для устранения отражений звуковых волн от противоположных внутренних стенок самого футляра широко применяется оклейка стенок звукопоглощающими материалами или специальными «растаивающими» отражателями, либо даже заполнение внутреннего про­странства футляра специальной ватой.

Для ликвидации очень глубокой впадины на какой-то одной частоте внутри футляра может быть помещен специальный трубчатый резонатор, настроенный точно на эту частоту.

Совсем иной принцип положен в основу работы так называемых акустических фазоинверторов и систем с пассивным излучате­лем. Оба эти метода применимы только для АС компрессионного (закрытого) типа и пре­следуют цель устранения недостатков, при­сущих именно этим системам.

Физически фазоинвертор представляет собой открытую с двух сторон трубу резонатор, настроенную на частоту, незначительно отличающуюся от собственной резонансной частоты головки низкочастотного излучателя (в пределах 2/3 октавы). Нередко фазо­инвертор выполняют не в виде трубы, а в фор­ме прямоугольного короба. Инвертор, как правило (но не обязательно), размещают на передней панели АС ниже низкочастотного излучателя, «врезая» его в соответствующее отверстие (или щель) на передней панели.

Физика работы, а особенно методика математического расчета фазоинвертора достаточно сложны для подробного анали­за в настоящем пособии, поэтому ограни­чимся лишь констатацией того, что за счет определенного сдвига фаз звуковых волн внутри футляра АС удается существенно по­высить ее отдачу на самых низких частотах рабочего диапазона.

Рис. 9

Недостатком фазоинвертора является определенная трудность (а иногда и невоз­можность) его настройки на оптимальную резонансную частоту, поэтому альтернати­вой ему явились системы с так называемыми пассивными излучателями. к называемыми пассивными излучателями. В этих системах роль фазоинвертора выполняет дополнительный низкочастотный излучатель, лишенный магнитной системы и звуковой катушки. При работе основного низкочастотного излучате­ля диффузор пассивного излучателя прихо­дит в «индуцированное» возбуждение на соб­ственной резонансной частоте, изменять ко­торую значительно легче, чем резонансную частоту трубы фазоинвертора.

В заключение отметим, что системы с фазоинверторами и пассивными излуча­телями, как правило, применяются только в наиболее дорогих (преимущественно зарубежных) моделях Hi-Fi (Hi-End) аппара­туры и обеспечивают реальную полосу зву­ковоспроизведения 25...22 ООО Гц при неравномерности в несколько децибел. В качестве примера можно назвать АС фир­мы AKAI внутренним объемом в 60 литров с восемью громкоговорителями и «трубча­тым» фазоинвертером, АС фирмы HITACHI с разделенным трехобъемным футляром, тремя основными головками, отдельным высокочастотным рупорным излучателем и пассивным излучателем, работающим на щелевидный акустический фазоинвертор.