Глава 6. Громкоговорители

Контрольные вопросы

1. Поясните основные технические характеристики громкоговорителей.

2. Каковы основные типы излучателей?

3. Как формируются направленные свойства излучателей?

4. Каков принцип работы линейной группы излучателей?

5. Поясните принцип работы и устройство электродинамической головки прямого излучения.

6. Поясните причины возникновения нелинейных искажений в громкоговорителях и методы их уменьшения.

7. Поясните причины возникновения частотных искажений в громкоговорителях.

8. Поясните сущность акустического короткого замыкания АКЗ и методы борьбы с ним.

9. Поясните особенности работы громкоговорителя в закрытом ящике.

10. Поясните принцип работы фазоинвертора.

11. Каким образом можно расширить диапазон частот громкоговорителя ?

12. Поясните принцип работы широкогорлого рупорного громкоговорителя.

13. Поясните принцип работы узкогорлого рупорного громкоговорителя.

14. Поясните принцип работы конденсаторного громкоговорителя.

15. Поясните принцип работы акустической системы.

6.1.Технические характеристики громкоговорителей

Прежде, чем приступить к изучению громкоговорителей, необходимо ос­тановиться на терминологии, используемой при их описании. Являясь самым распространенным типом электроакустических преобразователей, громкогово­ритель характеризуется большим числом параметров. Стандартами установ­ле­ны определения характеристик и терминов, к ним относящихся, наиболее упо­требительные из которых приведены ниже.

Естественно, что целесообразно начать с самого термина Громкогово­ритель–устройство для излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей, необходимое акустическое оформле­ние, необходимые электрические устройства (фильтры, трансформа­торы, регу­ляторы и т.п.).

Головка громкоговорителя–пассивный электроакустический преобразо­ватель, предназначенный для преобразования сигналов звуковой частоты из электрической формы в акустическую.

Акустическое оформление–конструктивный элемент громкоговорителя, обеспечивающий эффективное излучение звука (акустический экран, ящик, ру­пор и т.п.)

Звуковая колонка–громкоговоритель с отличающейся направленностью звукоизлучения в различных плоскостях, содержащий по крайней мере одну линейную цепочку однотипных громкоговорителей или головок громкоговори­телей и предназначенный для озвучения помещений или открытых про­странств.

Акустическая система–громкоговоритель, предназначенный для исполь­зования в качестве компонента в бытовой радиоэлектронной аппаратуре (как правило, содержит несколько разнотипных головок).

Акустический( рабочий) центр–точка, лежащая на рабочей плоскости от которой производится отсчет расстояния от громкоговорителя. Для сложных громкоговорителей акустическая ось и акустический центр указываются в опи­сании громкоговорителей. Рабочая (акустическая) ось–прямая, проходящая через рабочий центр громкоговорителя и перпендикулярная рабочей плоскости.

Для громкоговорителя, как и для любого устройства, необ­ходимо иметь ряд объективных (измеряемых приборами) показателей, позво­ляющих определить его качество или сравнить между собой различные об­разцы.

ГОСТ 16122-84 устанавливает несколько десятков электроакустических характеристик громкоговорителей, рассмотреть которые в рамках учебного пособия не представляется возможным. Здесь мы рассмотрим только те, без которых невозможно произвести расчет систем озвучения и звукоусиления. Обращаем ваше внимание на то, что экономя объем учебного пособия, мы тем не менее приведем несколько параметров, которые фактически дублируют друг друга. Объясняется это тем, что для оценки одних и тех же характеристик разные страны вводили свои параметры. Это естественно нашло свое отражение в справочных данных на громкоговорители. Поэтому стандарты в настоящее время уравняли в правах эти параметры, хотя они могут быть получены путем простого пересчета.

Многие годы основной характеристикой громкоговорителя считалась его чувствительность (отдача) –звуковое давление, развиваемое в некоторой опре­деленной точке поля (обычно на расстоянии 1 м на ее акустической оси) при подведении к его зажимам напряжения 1 В. Определяемая таким образом чувствительность удобна для суждения о поведении одного и того же громкоговорителя на раз­личных частотах или, иными словами, для построения АЧХ чувствительности. Однако, если понятие чувствительности удобно для оценки указанной нерав­номерности, то оно совершенно неприемлемо при сравнении громкоговорите­лей.

Рассмотрим такой пример: предположим, что была измерена чувствитель­ность двух громкоговорителей и величина звукового давления была получена одинаковой. Допустим, что номинальное сопротивление у второго громкогово­рителя больше, чем у первого. Так как величина подводимого к ним электриче­ского напряжения была одинакова, то потребленная вторым громкоговорите­лем электрическая мощность была меньше, чем у первого. Вспомним, что гром­коговоритель является преобразователем подведенной электрической мощности в акустическую и чем выше величина излученной или акустической мощности, тем больше и звуковое давление. Очевидно, что в данном случае эф­фективность второго преобразователя выше первого. А при выбранном нами критерии мы бы оценили их одинаково. Поэтому принято нормировать вели­чи­ну подводимой электрической мощности.

Одним из основных параметров, характеризующих эффективность работы громкоговорителя является среднее стандартное звуковое давление p_ст–это среднее значение звуко­вого давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот в точке на акустической оси, на расстоянии 1 м от рабочего центра в условиях, эквивалентных неограниченной среде, при подведении к нему си­нусоидального электрического напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности 0,1 ВА при частоте 1000 Гц.

Подводимое при этом к громкоговорителю напряжение будет , где R–номинальное электрическое сопротивление громкоговорителя. При таком подходе разные громкоговорители сравниваются при одном и том же значении потребляемой мощности.

Международной электротехнической комиссией (МЭК) стандартизовано понятие характеристической чувствительности Е_х–под которой понимается среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в заданном дипазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра в условиях,

эквивалентных неограниченной среде, и подводимой электрической мощности 1 ВА.

Таким образом, характеристическая чувствительность отличается от среднего стандартного звукового давления лишь тем, что к громкоговорителю подводится электрическая мощность не 0,1 Вт, а 1 Вт.

В соответствии с этим

(6.1)

Помимо этих величин за рубежом часто применяют так называемый уровень характеристической чувствительности–20-кратный десятичный логарифм отношения характеристической чувствительности к чувствительности 210^-5 ПаВт^-1/6.

(6.2)

Пример: Пусть стандартное звуковое давление р_ст =0,2 Па, тогда его характеристическая чувствительность Е_х=0,2х3.16=0,632 Па, а уровень характеристической чувствительности L_хар=20lg 0,632/210^-5=90 дБ.

Среднее номинальное звуковое давления р_ном отличается от стандарт­но­го тем, что определяется оно при подведению к излучателю номинальной элек­т­­рической мощности. В справочной литературе приводятся значения или той или другой величины. Связь между этими параметрами определяется соот­но­шением

(6.3)

Между характеристической чувствительностью, стандартным и номи­нальным звуковыми давлениями существует связь:

(6.4)

Номинальное звуковое давление может быть выражено через уровень ха­рактеристической чувствительности:

(6.5)

Зная номинальное звуковое давление, легко определить звуковое давле­ние на акустической оси на любом расстоянии от акустического центра излуча­теля, имея ввиду условия изменения звукового давления в шаровой волне:

(6.6)

Характеристика направленности–отношение эффективного звукового дав­ления p_, развиваемого громкоговорителем в направлении, составляющим угол  с акустической осью, к эффективному звуковому давлению р₀ в равно­удаленной от акустического центра точке, расположенной на акустической оси (в условиях свободного поля).

Эту характеристику обычно нормируют по отношению к осевому давле­нию р₀.

Характеристика направленности, снятая в плоскости, называется диа­г­раммой направленности. Поскольку последняя за­висит от частоты, ее измеряют на ряде частот или для полосы частот. Если громкоговоритель 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.

Коэффициент осевой концентрации –показывает во сколько раз мень­шую мощность должен излучать данный громкоговоритель по сравнению с не­направленным, чтобы он развил то же осевое давление р₀. Для ненаправленных громкоговорителей коэффициент осевой концентрации равен единице, для на­правленных может достигать нескольких десятков.

Номинальная электрическая мощность–максимальная мощность, подво­димая к громкоговорителю в форме синусоидального тока, при которой вноси­мые излучателем нелинейные искажения не превышают значений, допускае­мых техническими условиями.

Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению–за­висимость от частоты звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля на акустической оси на определенном расстоянии от акустического центра при постоянном напряжении на зажимах громкоговори­теля.

Коэффициент полезного действия–отношение излучаемой громкоговори­телем акустической мощности Р_ак к подводимой электрической мощности Р_эл.

(6.7)

Входное сопротивление громкоговорителя Z_вх сильно зависит от частоты, имея максимум на частоте основного резонанса механической колебательной системы и минимум на частоте электромеханического резонанса. Это мини­маль­ное значение приводится в справочной литературе в качестве номиналь­ного электрического сопротивления громкоговорителя.