8.4. Измерение параметров громкоговорителей

Измерение характеристик громкоговорителей в заглушенной камере. Для снятия характеристик громкоговорителя измерительный микрофон устанавли­вают на расстоянии г= (2–4)d от него, где d - средний размер излучателя (рис. 8.5). Напряжение, подводимое к громкоговорителю, устанав­ливают соответственно формуле , где Рном - номиналь­ная мощность громкоговорителя, - Rном его номинальное входное сопротив­ление (заданное в технических условиях активное сопротивление, которым замещают сопротивление громкоговорителя при расчете подводимой к нему электрической мо. При испытаниях на номинальную мощность синусоидаль­ное напряже­ние берут равным номинальному, а шумовое - равным 0,707 номи­нального.

Рис. 8.5. Схема измерения чувствительности громкоговорителя:

1– генератор тональный или белого шума с фильтром розового шума; 2– треть­октавный фильтр (применяют при измерении с шумом); 3– мощный усилитель; 4 – вольтметр; 5 –заглушенная камера; 6– испытуемый громкоговоритель: 7– измерительный микрофон; 8– милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах.

Измерителем звукового давления 7 - 8 регистрируют звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в зависимости от частоты, на которой возбуж­дают громкоговоритель (при тональном возбуждении), или средней частоты третьоктавного фильтра (при возбуждении от генератора белого шума). Это давление вычисляют по формуле , где U₀ - напряжение, развивае­мое измерительным микрофоном, мВ; E_oc - осевая чувствительность измери­тельного микрофона (мВ/Па) на заданной частоте. Измерения ведут с регистра­цией пиков и провалов частотной характеристики не уже 1/9 октавы (для шу­мового возбуждения этого не требуется). Более предпочтительно измерение с плавным изменением частоты генератора и регистрацией характеристики на бланке (для этого диск генератора и валик с бланком должны вращаться син­хронно).

Среднее звуковое давление по данным частотной характеристики вычис­ляют по формуле ,где р_k - звуковое давление, развиваемое громкоговорителем на частоте f_k (или средней частоте k-го третьоктавного фильтра), n - число то­чек измерения (оно не должно быть менее 10). При неравномерности частотной характеристики менее 12 дБ можно вычислять среднее арифметическое значе­ние..

Среднее стандартное звуковое давление вычисляют по формуле

,где p_ср - среднее звуковое давление, развиваемое громко­говорителем в номинальном диапазоне частот, Па; l - расстояние от рабочего центра громкоговорителя до измерительного микрофона, м, Р - электрическая мощность, Вт; Р₀= 0,1 Вт, l₀= 1 м.

Характеристическую чувствительность громкоговорителя на рабочей оси вычисляют по формуле (Па/Вт) , где p_ср - среднее звуковое давление в номинальном диапазоне частот), Па, P - электрическая мощность, подводимая к громкоговорителю, Вт; l - расстояние от рабочего центра гром­коговорителя до измерительного микрофона, м; l₀ = 1 м.

Эффективно воспроизводимый диапазон частот находят по частотной характеристике громкоговорителя путем определения частот, соответствующих точкам пересечения прямой, параллельной оси частот, с частотной характери­стикой громкоговорителя. Прямую линию проводят на 10 дБ ниже уровня сред­него звукового давления в октавной полосе частот, соответствующей макси­мальной чувствительности громкоговорителя. Этот уровень вычисляют по формуле , где p_ср.окт– среднее звуковое давление;

p₀= 2 10^-5 Па. Неравномерность частотной харак­теристики громкоговорителя определяют в номинальном диапазоне частот.

Диаграмму направленности громкоговорителя снимают в заглушенной камере с поворотом громкоговорителя вокруг оси, проходящей через его рабо­чий центр перпендикулярно его рабочей оси. Громкоговоритель вращают или вручную, или автоматически, синхронно с поворотом столика, на котором за­креплен бланк диаграммы направленности. Для громкоговорите­лей с раз­ными размерами продольной и поперечной осей излучателя снимают две диа­граммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Диаграммы на­правленности снимают или для ряда частот, или для основной части диапазона. В последнем случае к громкоговорителю подается шумовое напряжение через полосовой фильтр, имеющий полосу, равную основной.

Измерение характеристик громкоговорителей в реверберационной ка­мере (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Схема измерения акустической мощности громкоговорителя:

1– генератор белого шума с фильтром розового шума; 2 – третьоктавный (октавный) фильтр; 3 – мощный усилитель; 4– вольтметр; 5– реверберационная камера; 6 – испытуемый громкоговоритель; 7 – измерительный микрофон; 8 – милли­вольтметр, градуированный в паскалях или децибелах

В гулкой камере измеряют излучаемую мощность громкоговори­теля в октавной или третьоктавной полосе частот, кото­рую можно определить по формуле , где Т - время реверберации в камере, с; р - среднее значение зву­кового давление диффузного поля, Па; V - объем реверберационной камеры, м^8. Правда, эта мощ­ность несколько меньше той, которую раз­вивает громкоговоритель в откры­том пространстве, так как вследствие реакции диффузного поля на излучатель уменьшается его сопротивление излучения, но эта поправка обычно находится в пределах точности измерений.

Среднюю акустическую мощность в заданном диапазоне частот определяют по формуле ,где Р_аi–измеренная в полосе частот акустическая мощность; n–число полос частот, накоторых проводились измерения.

Зная излучаемую мощность P_a.ср и звуковое давление р, развиваемое гром­ко­говорителем в заглушенной камере на расстоянии 1 м от его рабочего цен­тра, можно найти коэффициент осевой концентрации , где - звуковое давление измеренное на расстоянии r (в метрах).

8.5. Измерение электромеханических параметров громкоговорителей

Как электродинамический преобразователь, громкоговоритель характеризуется рядом электромеханических параметров, обычно называемых в технической литературе параметрами Смолла – Тиля (Small – Thiele)9,10. Эта система параметров позволяет проанализировать работу громкоговорителя в акустических системах различного типа (закрытых, открытых, с фазоинвертором и др.), а также по заданным электроакустическим и массогабаритным характеристикам акустических систем подобрать соответствующую головку. К группе параметров Смолла–Тиля относятся: активное сопротивление звуковой катушки головки громкоговорителя R₀ (обычно измеряемое омметром), минимальное значение модуля полного электрического сопротивления головки Z_мин, частота основного резонанса головки f₀, добротность головки Q, эквивалентный объем V_ЭК и др. Учитывая важность информации об этих параметрах в процессе разработок акустических систем и головок громкоговорителей, методики их измерения внесены в международные, национальные и отечественные стандарты, а значения их вносятся в техническую документацию на головки громкоговорителей.

В связи с ограниченностью объема учебного пособия, рассмотрим методику измерения некоторых электромеханических параметров.

Частотную характеристику модуля полного электрического сопротивления определяют чаще всего в режиме постоянства напряжения. Схема измерения представлена на рис.8.7.

М одуль полного электрического сопротивления громкоговорителя на заданной частоте определяют в любом помещении.

Рис.8.7. Схема измерения модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя: 1–генератор; 2–усилитель мощности; 3–вольтметр; 4–регистрирующее устройство; 5–испытуемый громкоговоритель; R1,R2–резисторы; S–переключатель

Сопротивление резистора R1 должно быть не более 0,05 от предполагаемого минимального значения модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя в заданном диапазоне частот.

Измерение частотной зависимости уровня напряжения на резисторе R1 осуществляют при включенном громкоговорителе. Затем переключателем S включают резистор R2, значение сопротивления которого должно быть определено с погрешностью не более 1% и должно находиться в пределах от минимально допустимого значения модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя до его номинального сопротивления. На том же бланке регистрируют частотную зависимость уровня напряжения на резисторе R1 при включенном резисторе R6.

Модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя на фиксированной частоте определяют по формуле , где N_R–уровень напряжения на резисторе R1 при включенном резисторе R2, дБ; N_ГР– уровень напряжения на резисторе R1 при включенном громкоговорителе, дБ.

По определенной по этой методике частотной характеристике модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя (рис.8.8) определяют минимальное значение модуля полного электрического сопротивления Z_МИН и частоту основного резонанса f₀. Под частотой основного резонанса понимается частота возбуждающего синусоидального сигнала, при которой значение модуля полного электрического сопротивления головки имеет свой первый максимум.

Рис.8.8. Частотная характеристика модуля полного сопротивления громкоговорителя

Добротность головки это мера затухания свободных колебаний подвижной системы головки громкоговорителя, определяемая отношением реактивной составляющей механического сопротивления подвижной системы головки громкоговорителя на частоте основного резонанса к активной составляющей. Различают механическую добротность–добротность, обусловленную потерями в механических элементах подвижной системы головки громкоговорителя и на излучение; электрическую добротность,–обусловленную наличием тока противоЭДС в электрической цепи головки громкоговорителя и полную добротность, обусловленную суммарным влиянием механических потерь и тока противоЭДС в электрической цепи головки.

Структурная схема измерения добротности головки представлена на рис.8.9.

Сопротивление резистора R1 должно не менее чем в 20 раз превышать модуль полного электрического сопротивления головки громкоговорителя на частоте основного резонанса f₀.

Рис.8.9. Схема измерения добротности головки: 1–генератор; 2–усилитель мощности; 3,5–вольтметры; 4–частотомер; R1–резистор; R–магазин сопротивлений; S–переключатель; 6–испытуемый громкоговоритель.

При включенной головке громкоговорителя плавно повышают частоту генератора до первого максимального показания вольтметра 5. Затем головку громкоговорителя заменяют магазином сопротивлений R и на частоте f₀ изменением сопротивления магазина сопротивлений достигают повторения показания вольтметра U_МАКС.

Полученное значение сопротивления магазина равно Z_МАКС. Затем снова подключают головку громкоговорителя и при дальнейшем повышении частоты генератора находят частоту f_ЭМ, при которой показания вольтметра 5 будут минимальным.

Изменяя частоту генератора, определяют частоты f₁ и f₂, удовлетворяющие условию f₁< f₀< f₂< f_ЭМ , при которых напряжение на головке громкоговорителя , где R₀–сопротивление головки громкоговорителя по постоянному току.

Механическую добротность головки громкоговорителя Q_M определяют по формуле .

Полную добротность Q_П громкоговорителя определяют по формуле.

Электрическую добротность Q_Э громкоговорителя определяют по формуле .

Следует заметить, что если известна частотная характеристика модуля полного электрического сопротивления, то все данные, необходимые для расчета добротности могут быть получены из нее (см.рис.8.8.).

Под эквивалентным объемом головки громкоговорителя понимают закрытый объем воздуха, имеющий гибкость на площади излучающего отверстия громкоговорителя, равную гибкости подвижной системы головки громкоговорителя.

Для определения эквивалентного объема головки последовательно определяют ее резонансную частоту без акустического оформления f₀ и далее резонансную частоту f₀₁ этой же головки, помещенной в испытательный ящик известного объема V. Тогда эквивалентный объем V_ЭК может быть определен по формуле , где V–внутренний объем испытательного ящика с учетом вытесненного головкой объема воздуха. Например, если резонансная частота головки составляет 30 Гц, а при помещении ее в испытательный ящик объемом 100 литров – 45 Гц, то эквивалентный объем головки будет составлять V_эк=100(45²/30²–1)=125 л.