Концертные акустические системы большой мощности

Украинский
Загрузить архив:
Файл: ref-26672.zip (871kb [zip], Скачиваний: 1772) скачать

Содержание

Введение

1.   Актуальность и целесообразность ………………………………………………..……6

2.   Системызвукоусиленияи системыозвучивания………………………………..……8

3.    Речевой и музыкальный режим работы………………………………………….…….10

4.    Обзор современных акустических систем большой мощности…………….….……..12

5.    Технические параметры громкоговорителей ………………………………….….…...13

6.    Акустические системы…………………………………………………………….…….22

6.1. Акустическое оформление………………………………………………………..……..23

6.2. Характеристики направленности……………………………………………….……….31

6.3. Разделительныефильтры………………………………………………………………33

7.    Выбор и расчет параметров оптимального варианта акустического оформления….35

7.1. Программная среда SPEAKERSHOP……………………………………………………36

7.2. Расчетакустическойсистемы.Описание конструкции………………………...….….39

8.    Заключение ……………………………………………………………………………….42

9. Список литературы………………………………………………………………………..43

                                                Введение

Предметбакалаврской работы- акустическая система - на удивление консервативен. За последние десятилетия промелькнули весьма экстравагантные способы генерирования акустических колебаний, вплоть до плазменно-ионизационного разряда. А традиционные динамики по-прежнему доминируют во всех сферах звуковой техники, и достойной смены им по-прежнему не видно. Роль и значение акустических систем в звукоусилительном тракте переоценить невозможно.

В данной работе не стоит цель анализа научных экспериментов в области генерации звуковых колебаний. Будут рассмотрены принципы звукообразования и техника, базирующаяся на электродинамическом способе возбуждения звуковых колебаний.

В настоящее время технология производства громкоговорителей и акустических систем существует в двух видах - массовое производство на автоматизированных линиях и мелкосерийное производство. Понятно, что обычная бытовая техника изготавливается на конвейере. В производстве профессиональной аппаратуры велика доля ручного труда, применяются более дорогие материалы и технологии.

Роль акустической системы , или, проще говоря, колонок, в формировании звука сравнима с той, которую играет монитор, когда дело касается изображения. Акустическая система является последним звеном звуковоспроизводящего тракта, непосредственно преобразующим звуковой электрический сигнал в акустические колебания и, тем самым, в значительной степени определяет качество звучания этого тракта.

1. Актуальность и целесообразность.

Вначале отойдём от акустики и инженерного толкования и опишем ту индустрию, на которую я сделал ставку, выбрав именно эту тему для своей бакалаврской работы.

В середине 60-х XX века на музыкальной сцене происходили грандиозные события. Герои "рок-революции" стремились донести свои "послания" до слушателей во всех уголках земного шара, а это, в свою очередь, требовало радикальных технологических прорывов в области акустических систем. Возникла необходимость в концертных громкоговорителях нового поколения - легких, обеспечивающих качественное и мощное воспроизведение современной музыки во всем ее стилистическом многообразии. Связь между исполнителем и аудиторией стала ключевым фактором на концертах современной музыки, и обеспечивающие эту связь акустические системы должны были соответствовать новым требованиям

Трудно представить себе современное развлечение без музыки, неважно, будь это театр, ночной клуб, ресторан. Везде есть системы звуковоспроизведения.В каждом из перечисленных объектов звук должен отвечать своим специфическим требованиям, но выполнять при этом одну задачу - делать отдых посетителей приятным и доставлять удовольствие.

Развлекательная среда призвана будить эмоции и создавать настроение.
Индустрия развлечений в настоящее время является одной из самых динамично развивающихся отраслей в мире. За последнее время здесь довольно значительно увеличилось число конкурентов, появились новые серьезные лидеры. В то же время и многие производители уделяют самое пристальное внимание столичной индустрии развлечений. Возрастание деловой активности, увеличение потребностей в активном досуге требуют значительного количества центров развлечений разного класса, которые могли бы удовлетворить потребности гостей и жителей столицы на современном уровне, а это соответственно ведёт к спросу на светотехническое, видео и звуковоспроизводящее оборудование. Остановимся на интересующем нас звуковоспроизводящем оборудовании. У нас в стране существует довольно развитый рынок такого оборудования. Продаются большое количествоинсталляционных систем, систем домашнего кинотеатра, бытовых акустических систем различных ценовых категорий, всё зависит от бренда производителя и качества аппаратуры.

Основными задачами мощной концертной акустики являются: обеспечение хорошей слышимости в концертных залах, театрах, аудиториях, стадионах и т.п.; обеспечение высокого качества звучания музыки, чтобы это звучание приобрело требуемые целостность и полноту; обеспечение разборчивости речи. При этом системы звукоусиления не должны препятствовать правильной локализации источников сигнала, естественная неискаженная локализация необходима для создания контакта между слушателями и исполнителями на сцене

Почему мощная система?

Система должна быть мощной из-за таких соображений:

· рынок концертной акустики.

·

                             2. Системызвукоусиленияи системыозвучивания.

По своему функциональному назначению системы звукоусиления и сиcтемы озвучивания, отличаются друг от друга. Например, на дискотеках основное внимание уделяется танцевальной площадке. Здесь главное создать равномерное звуковое поле над головами танцующих, воспроизвести весь динамический и частотный диапазон музыкальных программ, эти задачи выполняют системы озвучивания.

Системы звукоусиления должны обладать некоторой универсальностью. Они должны транслировать (в ресторанах и ночных клубах ) с неизменным качеством фоновую, камерную, симфоническую, блюз, рок, диско и другую музыку, а также "живые" выступления музыкантов. Такой же универсальностью должны обладать системы звукоусиления и в концертных залах.Каждый зал, в зависимости от его архитектурных особенностей и функционального назначения, требует индивидуального подхода при проектировании звукоусилительных систем .С увеличением пространства проблемы, связанные с обеспечением чистого, понятного(разборчивого) звука и необходимого уровня звукового давления, а значит громкости воспроизведения музыкальных и речевых программ, растут. Это связано с тем, что чем дальше от источника звука (акустической системы звукоусилительного комплекса) находится слушатель, тем меньше уровень громкости воспроизводимой программы. В пространстве, в котором отсутствует реверберация, например на улице, уровень звукового давления уменьшается в два раза (на 6 дБ) при удалении от источника на двойное расстояние.

Вторая проблема, которая возникает при озвучивании помещения это реверберация, присущая каждому помещению. Если слушатель располагается вблизи акустической системы, то он находится в "прямом поле". Это поле, где звук, идущий от акустической системы, гораздо громче отраженного звука. При удалении от акустической системы звук, отраженный от пола, потолка и стен помещения, становится громче звука, приходящего непосредственно от нее.

Вот здесь и начинаются проблемы.В реверберационном пространстве всегда найдется точка, где отраженный звук сильнее, чем прямой. Надо отметить, что уровень звукового давления стремится к постоянному значению в реверберационном (диффузном) поле, независимо от того, где находится слушатель. Расстояние от акустической системы, на котором уровни прямого и отраженного звука равны, называется "критическим расстоянием". Когда слушатель находится в реверберационном поле, то звук, который он слышит, большей части является отраженным от пола, потолка и стен помещения и лишь небольшая его часть идет непосредственно от акустической системы. Все эти отражения достигают ушей слушателя через слегка различающиеся промежутки времени, имея несколько больший уровень звукового давления, чем прямой звук. В результате для слушателя, находящегося в реверберационном поле, теряется разборчивость и прозрачность звука.

Проблему реверберационных полей можно решить двумя путями.
Первый - это изменить форму и отделку отражающих элементов стен и потолка помещения. Но на практике изменить интерьер помещения таким способом практически невозможно. Второй путь - это правильно спроектировать звукоусилительный комплекс, чтобы он смог преодолеть проблему реверберационных полей в помещении.

Основное внимание при проектировании звукоусилительной системы, предназначенной для работы в конкретном помещении, следует уделять выбору акустических систем. Акустические системы с узкой диаграммой направленности иногда называют системами "дальнего боя" (не стандартизированный технический термин, а профессиональный жаргон). Термины "дальний бой", "ближний бой" характеризуют, как далеко акустические системы могут донести чистый, понятный звук. Это напрямую зависит от дисперсии. Для описания принципа построения таких систем можно взять пример из повседневной жизни. Представим себе обычный шланг для полива. Вода в шланге подходит к насадке на его конце с постоянным давлением, а сама насадка определяет, как пойдет вода. Если насадка широкая, то вода далеко не польется, но если поменять насадку на более узкую или зажать конец шланга, вода польется значительно дальше.

То же самое происходит и со звуком. Например, если среднечастотный драйвер соединить с широкоугольным рупором, получится система "ближнего или среднего боя". Если же его соединить с узкоугольным рупором, то получится система "дальнего боя". Применяя рупорные системы с узкой диаграммой направленности можно решить проблему реверберации в помещениях среднего и большого размеров. Путем повышения уровня звукового давления прямого звука добиваются, чтобы материал музыкальных и речевых программ стал более понятным и разборчивым. Системы "дальнего боя" используются не только для повышения уровня звукового давления, но также и для концентрации звука на удаленных от источника звука слушательских местах, при этом уровень звукового давления прямого звука будет выше уровня отраженного. А это и есть решение проблемы реверберационных полей.

3.Речевой и музыкальный режим работы.

При посещении концерта впечатления слушателя формируются не только характером прослушанных музыкальных произведений, но и акустической атмосферой в зале. Задача любой системы озвучивания состоит в таком воздействии на качество звукопередачи, при котором параметры исходного звучания не только полностью сохраняются, но и заметно улучшаются с точки зрения их пространственного восприятия без появления каких-либо неприятных побочных эффектов. Слушатель всегда имеет собственное представление о "хорошем звуке", сформированное личным опытом, и производит оценку звучания по многим субъективным критериям. Поэтому, говоря о качестве звучания, необходимо определить критерии оценки, согласованные с субъективным восприятием звука.

Если для речи важнейшим параметром является ее разборчивость (артикуляция) и степень зависимости от уровня громкости и посторонних шумов, то для музыки высокое качество звучания определяется факторами, которые в какой-то степени могут быть охарактеризованы с помощью понятий уровня громкости, прозрачности, пространственного впечатления, тембральной окраски звучания, баланса и тому подобных субъективных критериев. Практика же требует объективно измеряемых параметров, которые должны быть близки к субъективным оценкам и основываться на однозначных и не слишком сложных методах измерений. Рассмотрим более подробно субъективные понятия, характеризующие качество звучания и их объективную количественную оценку.

Для речи существует один субъективный критерий качества звучания - хорошая разборчивость или слоговая разборчивость v. Следует различать чисто "информативную" речь - доклад, монолог, объявление и т.п. - и речь художественную, имеющую определенное эстетическое содержание в первую очередь благодаря интонации. Во втором случае, очевидно, что только разборчивости, как критерия качества передачи звука, недостаточно и для художественной речи критерии качества ее звучания такие же, как и для музыки. Разборчивость речи определяется весьма простым методом: на сцене произносятся отдельные слоги - логатомы. Они должны опознаваться только по последовательности характерных для них звуков, а не по смысловому содержанию. Доля правильно понятых слогов из общего числа произнесенных характеризует слоговую разборчивость. В результате исследований, проведенных В. Рэйчардом и В. Кнудсеном, было получено следующее соотношение: v = 96kнч .kвч .kn..kc. Коэффициенты kнч и kвч учитывают необходимое ограничение полосы частот в канале звукоусиления. В системах звукоусиления, предназначенных для очень гулких помещений с большим уровнем шума, полезно подавить низкие частоты, что мало скажется на передаваемой информации, но позволит избежать еще большего уровня шума, подавление же высоких частот может быть полезно при озвучивании открытого пространства. (заметное ослабление высоких частот с расстоянием - на частоте 10 кГц и при расстоянии 60 м затухание в воздухе составляет 20db - может компенсироваться системой звукоусиления, но при излишнем уровне этих частот звучание шипящих согласных приобретает неприятный характер). kn учитывает уровень громкости сигнала и шума, kc учитывает "влияние помещения" и характеризует как ранние отражения, так и собственно реверберационный процесс. Не вдаваясь в подробности математического определения этих коэффициентов, отмечу следующее: разборчивость речи снижается при очень высоких уровнях громкости, поэтому, если задача системы звукоусиления сводится только к тому, чтобы уровень полезного сигнала превышал уровень шума, желательно ограничиться возможно меньшим уровнем громкости. В случае, если время реверберации в помещении на слушательских местах больше 1,2 сек, то разборчивость речи можно повысить, подняв уровень ранних отражений. Вышеперечисленные акустические параметры, в свою очередь, определяют технические параметры систем звукоусиления, предназначенных для передачи речи. Для качественного воспроизведения музыкальных программ определяющую роль играет широкий частотный диапазони ровная амплитудно-частотная характеристика

4. Обзор современных акустических систем большой мощности.

Cпоявлением цифровой записи резко повысились требования к звуковоспроизводящему тракту, и особенно к последнему звену – акустической системе. В музыкальных сигналах увеличилось содержание высокочастотных составляющих , что изменило энергетическое соотношение в спектре сигнала. Этот факт нашел отражение и в проектировке и производстве акустических систем.

Высококачественная акустическая система должна иметь такие амплитудно-частотные, временные и фазовые характеристики, которые обеспечивали бы неискаженную передачу акустического сигнала с минимальными гармоническими искажениями при достаточно больших уровнях излучаемого давления. Далее в таблице приведены сравнительные характеристики двух самых популярных(20% всего рынка концертной акустики в Украине) акустических систем фирмы GKF.

Таблица 4.1

Параметр

GKFAriane

GKFSVP-505

Фото

Глубина х Ширина х Высота, мм

1120 х 380 х 360

1000 х 360 х 250

Вес (кг)

42

33

Импеданс, Ом

4

4

Чувствительность (дБ)

97

97

Частотный диапазон, -3dB

40 - 18000

35 – 19000

Тип фильтра

Мощность (стандарт AES), Вт

Конфигурация системы

Расчетное максимальное давление (пик), дБ

Расчетное максимальное давление (долговрем.), дБ

Объем, л

Пассивный ВЧ, НЧ

650

2 полосы, полный диапазон

139

127

152

Пассивный ВЧ, НЧ

500

2 полосы, полный диапазон

137

125

98

5.Технические параметры громкоговорителей

Рис.5.1 Основные элементы конструкции головки громкоговорителя

Принципиально устройство динамического громкоговорителя по существу не менялось с 20-30-х годов.Мировой объем выпуска громкоговорителей разного назначения достигает почти 500 млн в год, из них более 85% составляют электродинамические катушечные, поэтому именно их особенности конструкции и будут рассмотрены. Несмотря на известность конструкции динамического громкоговорителя, коротко напомним о ней.

                  Устройство:

Основы устройства конусного (диффузорного) электродинамического громкоговорителя прямого излучения со звуковой катушкой показаны на рисунке 1. Громкоговоритель состоит из трех основных частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя. В свою очередь подвижная система включает в себя гофрированный подвес, диафрагму, центрирующую шайбу, пылезащитный колпачок, звуковую катушку и выводы. Магнитная цепь состоит из магнита (кольцевого или кернового), верхнего и нижнего фланцев и керна. В зависимости от назначения головки громкоговорителя конструкция и технология изготовления всех этих элементов различается очень значительно.

                         Низкочастотный громкоговоритель (woofer).

При проектировании низкочастотных громкоговорителей, как всей конструкции в целом, так и ее отдельных элементов, исходят из специальных требований.

Низкочастотные громкоговорители, как правило, имеют более низкую чувствительность по сравнению со средне- и высокочастотными (из-за более тяжелой подвижной системы). В связи с этим, для обеспечения необходимого звукового давления в области низких частот, они должны выдерживать значительные мощностные нагрузки (200 Вт и более) при сохранении тепловой и механической прочности.

Сравнительно низкая резонансная частота (16...30 Гц), необходимая для обеспечения эффективного воспроизведения низкочастотных составляющих сигнала, требует высокой линейности упругих характеристик гибких элементов (подвеса и шайбы), вплоть до больших смещений подвижной системы (до ±12...15 мм).

Рис.5.2 АЧХ низкочастотного громкоговорителя

С точки зрения обеспечения неокрашенности звучания НЧ-громкоговорители должны иметь, помимо малых уровней гармонических искажений, как можно более гладкую (т.е. без ярко выраженных резонансов),амплитудно-частотную характеристику звукового давления, вплоть до верхней границы воспроизводимого ими диапазона частот (как правило 1500..3000 Гц). В результате экспериментов было установлено, что для того, чтобы НЧ-громкоговоритель не вносил слышимой окраски в звучание в верхней части воспроизводимого им диапазона, резонансные пики на его АЧХ должны быть не менее чем на 20 дБ ниже среднего уровня звукового давления, создаваемого акустической системой в этой области частот (после фильтрации) (рис.5.2).

                 Среднечастотные громкоговорители (mid-range)

Конструирование среднечастотных громкоговорителей, особенно для аппаратуры Hi-Fi, является наиболее сложным процессом. Это обусловлено тем, что, во-первых, в акустических системах категории Hi-Fi и High-End СЧ-громкоговорители используются в диапазонах частот от 200…800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам искажений максимальна. (Субъективные дифференциальные пороги восприятия практически всех видов искажений достигают минимума в области 1...3 кГц).

Во-вторых, именно на эту область частот приходится максимум спектральной плотности мощности почти всех видов музыкальных программ.

Рис.5.3 Конструкция среднечастотного громкоговорителя

Основные принципы конструирования отдельных элементов и узлов СЧ-громкоговорителей аналогичны тем, которые применяются в НЧ-громкоговорителях, однако существует и своя специфика. Так, например, излучающий элемент - диафрагму - в СЧ громкоговорителях изготавливают как в виде криволинейных конусообразных рупоров, так и в виде куполов (Рис.5.3). Конусообразные диафрагмы используются, как правило, в СЧ-динамиках, воспроизводящих частоты от 200...400 Гц (их иногда называют Mid-Bass). Диаметры таких громкоговорителей составляют 125...200 мм, а верхние воспроизводимые частоты доходят до 3…5 кГц. Однако, такие динамики стараются использовать в более узкой полосе, так как из-за сравнительно больших размеров диафрагм они имеют узкую направленность.

СЧ-громкоговорители диаметрами 160...200 мм находят все большее применение в акустических системах, работающих совместно с НЧ-блоками (subwoofer), построенными по принципам "двойной фазоинвертор", "симметричная нагрузка", и воспроизводящими частоты не выше 150...200 Гц. В качестве материала для таких диафрагм чаще всего продолжают применять специально разработанные композиции на основе растительных целлюлоз, синтетических пленочных материалов, а также на основе полипропилена или высокомодульного кевлара.

Купольные диафрагмы имеют, как правило, диаметры 40...80 мм. СЧ-динамики с ними обладают лучшей направленностью, и применяются обычно в высококачественных акустических системах для воспроизведения частот от 600...1000 Гц до 6...8 кГц. Форма купольной диафрагмы жестко связана с применяемым для нее материалом. Как правило, диафрагмы изготавливаются либо из "мягких" (пропитанные ткани, синтетические пленки, целлюлоза и т. п.), либо из "жестких" материалов (алюминиевая, титановая, бериллиевая фольга, различные их высокомодульные сплавы, например, с бором, и т. п.).

У "мягких" диафрагм собственные окружные и радиальные резонансы расположены, как правило, в области воспроизводимых частот. Для уменьшения их амплитуд применяются различные меры по увеличению конструктивной жесткости: ребра жесткости на поверхности, использование составных диафрагм из куполов различной кривизны и жесткости материала и т.п., а также увеличение демпфирования за счет нанесения на их поверхность различных пропиток и смазок. При этом чрезмерное нанесение таких покрытий может привести к гистерезисным явлениям при колебании диафрагмы, что, в свою очередь, вызовет субъективное ощущение потери "полетности" звучания.

У СЧ-динамиков с мягкими диафрагмами подвесы обычно изготавливаются (прессуются или отливаются из целлюлозы) вместе с диафрагмой, и имеют, в основном, профиль тороидальной, синусоидальной или тангенциальной формы. В акустических системах средней мощности используют купольные СЧ-громкоговорители с одним подвесом, без центрирующей шайбы. В акустических системах большой мощности и низкой частотой раздела применяют СЧ-громкоговорители с двумя гибкими элементами, как в НЧ-громкоговорителях, т.е. подвесом и шайбой, так как при закреплении на одном подвесе при больших смещениях возможны интенсивные поперечные и крутильные колебания подвижной системы, что существенно увеличивает нелинейные искажения. В некоторых конструкциях СЧ-динамиков под диафрагмой размещают звукопоглощающий материал, демпфирующий резонансы объема воздуха.

СЧ-громкоговорители с мягкими диафрагмами имеют, как правило, меньшую чувствительность, чем с жесткими диафрагмами, за счет более тяжелых из-за применения различных пропиток и смазок диафрагм. В связи с этим их стараются делать несколько более мощными, применяя звуковые катушки больших диаметров (50...80 мм), заполняют зазоры магнитных цепей магнитной жидкостью, обеспечивающей более интенсивное отведение тепла от звуковой катушки к неподвижным деталям магнитной цепи.

Для снижения нелинейных искажений, вызванных взаимодействием переменного магнитного поля звуковой катушки с постоянным магнитным полем цепей, в последних применяются описанные выше меры ("короткозамкнутые витки" и т.п.) Уменьшение влияния неравномерности и неоднородности магнитного поля в зазоре магнитной цепи во всех СЧ-динамиках (и с мягкими, и с жесткими диафрагмами) достигается применением звуковых катушек, имеющих высоту намотки, несколько меньшую высоты зазора, что позволяет звуковой катушке, учитывая сравнительно небольшую амплитуду ее смещений, находиться в процессе работы в наиболее равномерном и однородном постоянном магнитном поле внутри зазора.

Необходимо отметить, что СЧ-громкоговорители с мягкими диафрагмами, особенно при малых уровнях входного сигнала, обеспечивают неокрашенное, естественное по тембру звучание. Однако, при больших уровнях, в них может возникнуть потеря динамической устойчивости и, соответственно, слышимые искажения.

В СЧ-громкоговорителях с жесткими купольными диафрагмами обеспечивается расширенный воспроизводимый диапазон частот (до 12 кГц) при практически поршневом характере колебаний, что дает малые уровни переходных искажений и чистое звучание.

Рис5.4 Конструкция высокочастотного громкоговорителя

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. 5.4).

В современных акустических системах высокочастотные громкоговорители используются, как правило, в диапазонах частот от 1,5…3 кГц до 30...40 кГц (зачем нужен такой широкий диапазон частот, если предел слуха составляет 20 кГц, да и то в ранней молодости, - это предмет многочисленных обсуждений в психоакустике). Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне с помощью одного громкоговорителя чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ-динамиков применяются в диапазонах от 2...5 до 16...18 кГц, а в некоторых акустических системах устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ-громкоговорители (supertweeter), воспроизводящие частоты от 8...10 до 30...40 кГц. Примером такого современного громкоговорителя может служить ST-200 фирмы Tannoy, воспроизводящий диапазон до 54 кГц со спадом 6 дБ, и выдерживающий подводимую мощность 135 Вт (до 550 Вт в пиках).

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.

Теперь рассмотрим 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 - среднее звуковое давление, замеренное на расстоянии 1i от центра громкоговорителя на рабочей оси при подведении мощности 1 Вт. Это очень важный параметр. Понижение уровня характеристической чувствительности на 3 дБ требует увеличения мощности усилителя вдвое;

•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 некоррректно 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 механическойсистемы. Таким образом, излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая система - небольшой и потому легкой.

                                                                                                

                                                               Рис 5.5

                          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.

                                             6. 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 Рады, 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.

                                        6.1 Акустическое оформление

1 создает сжатие среды, то противоположная поверхность поршня, в этот же момент t1, создает разрежение.

Сжатие и разрежение распространяются в разные стороны (Рис.6.1.1). При определенных условиях, огибая поршень, волны интерферируют с колебаниями возникшими с противоположной стороны (фазы) и их сумма стремится к нулю. Это явление называют - акустическим коротким замыканием (АКЗ). Возникновение АКЗ уменьшает отдачу акустической мощности излучателя (поршня) в области тех частот, при которых длина излучаемой волны велика по сравнению с размерами поршня (условия дифракции). Это явление возникает на низких частотах НЧ звуковой волны.

акустического экранного оформления (оформление). Простейшим видом оформления является щит       (Рис.6.1.2). Чтобы полностью устранить АКЗ, необходимо установить щит, у которого линейные размеры плоскости были больше половины длины звуковой НЧ волны λ :

        d > λ/2;   (6.1.1)

Стандартный акустический экран по ГОСТ 16122-84 имеет размер 1350 х 1650 м.

                Рис 6.1.2

Закрытый ящик (ЗЯ, Closed Box) это оформление второго порядка (рис.6.1.3 А и рис. 6.1.4). По сравнению с другими видами нагруженного оформления менее чувствителен к отклонениям характеристик. Основные его плюсы : прекрасная импульсная характеристика.Это теоретически позволяет получить плоскую АЧХ. Недостаток = низкий КПД, что требует повышенной мощности усилителя, и повышенный уровень четных гармоник из-за несимметричной нагрузки диффузора.

Рис 6.1.3

А = закрытый ящик, Б = фазоинвертор, В = пассивный излучатель

Рис 6.1.4

Следующий по распространенности тип акустического оформления – фазоинвертор (рис.6.1.3.Б). Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше. Внешние признаки фазоинверсной породы: легкие диффузоры и мощные магниты. Из всех возможных конструкций систем двойного действия наибольшее распространение получил фазоинвертор (ФИ, Vented Box, Ported Box, Bass Reflex). Это резонансная система. Заключенная в ФИ масса воздуха на частоте его настройки ведет себя подобно диффузору, являясь источником звуковых колебаний. Пассивный излучатель (рис.6.1.3 В) - это разновидность ФИ, в котором масса воздуха в туннеле заменена массой подвижной системы пассивного излучателя В качестве пассивного излучателя чаще всего используют обычную динамическую головку, иногда с удаленной магнитной системой.

рис.6.1.5

Конструктивно он выполнен в виде закрытого ящика с двумя отверстиями

В одном отверстии размещается излучатель (поршень), другое отверстие свободное, и имеет конструкцию в виде небольшой трубы объемом V. Частота фазоинвертора ƒф, (Рис.6.1.5).

При медленных колебаниях (8Гц - 10Гц) пружина Св (Рис.6.1.5). соединяющая обе массы m, не успевает деформироваться, так как у нее большое упругое сопротивление z :

                      z=1/(ω·Св);(6.1.2)

В результате обе массы mп и mв двигаются с одинаковой фазой. При этом волна, излучаемая отверстием, сдвинута на 180o по фазе по сравнению с волной, излучаемой поршнем. Повышение частоты приводит к уменьшению упругого сопротивления воздуха в ящике и пружина Св начинает деформироваться. В результате между колебаниями обоих масс mп и mв возникает фазовый сдвиг, возрастающий с повышением частоты и достигающий на частоте резонанса ящика 180o. Таким образом, воздух в отверстии и поршень колеблются в противофазе, а волны, излучаемые ими, будут синфазными и интерферируя усиливают друг друга.
Частоту резонанса фазоинвертора ƒф, как правило, выбирают равной частоте резонанса ƒ0 головки (поршня), т.е. в области НЧ рабочего диапазона (Рис.6.1.5).
При дальнейшем увеличении частоты излучение звука отверстием не происходит, так как инерционное сопротивление воздуха в отверстии ω·mв становится чрезвычайно большим. При этих частотах фазоинвертор аналогичен закрытому ящику. Внутренние поверхности фазоинвертора также, как и ящика, покрывают звукопоглощающим материалом.


рис 6.1.6

На схеме рис 6.1.6 усилитель мощ­ности, являющийся для громкоговорителя источником сигнала, с на­пряжением открытой цепи и выходным сопротивлением пре­образован в генератор напряжений, имитирующий генератор с вы­ходным значением акустического давления, после генератора полное сопротивление, представляющее собой сумму активного сопротивления звуковой катушки и выход­ного сопротивления усилителя. Mas- акустическаямассаподвижной системы, присоединенная масса воздуха с передней и тыльной стороны диофрагмы. Саs- акустическая гибкость подвесов.Ras-акустическоесопротивление подвижной системы.Mav- акустическаямасса воздуха в фазоинверсной трубе.

Акустическая нагрузка. Диффузор динамической головки в закрытом оформлении испытывает существенно отличающееся сопротивление при движении вперед и назад. Асимметричность нагрузки является потенциальным источником нелинейных искажений. Поэтому еще в середине 70-х годов появились акустические системы, в конструкции которых этот недостаток устранялся введением дополнительной акустической нагрузки для передней поверхности диффузора. Аналогичные решения можно использовать и для ограничения амплитуды колебаний диффузора в системах двойного действия. Надежных методик расчета акустической нагрузки нет, необходим эксперимент.

рис. 6.1.7

Акустическую нагрузку можно реализовать различными способами. В простейшем случае (рис.6.1.7 А) перед диффузором размещается отражающая поверхность (Reflex Body). Однако такое решение ухудшает чувствительность АС и ее АЧХ на средних частотах. В некоторых современных конструкциях для улучшения АЧХ и диаграммы направленности служит тело вращения чечевицеобразной формы (рис.6.1.7 Б). С этой же целью можно использовать отражающую поверхность, расположенную под углом (рис.6.1.7 В). Клиновая нагрузка отчасти играет роль короткого рупора, что способствует акустическому усилению определенного диапазона частот. Как дальнейшее развитие этой идеи появились акустические системы с резонатором (рис.6.1.7 Г). После этого оставалось сделать только один шаг к конструкции полосовых громкоговорителей.

8 А). Полосовые громкоговорители шестого (рис.6.1.8.Б,В) и восьмого (рис.6.1.8.Г,Д) порядка встречаются реже.

рис.6.1.8

Полосовые громкоговорители:
А = закрытый ящик-резонатор,
Б = фазоинвертор двойного действия,
В = фазоинвертор последовательного действия,
Г = фазоинвертор последовательного двойного действия,
Д = фазоинвертор-резонатор последовательного двойного действия

Полосовое акустическое оформление используется исключительно для сабвуферов. Достоинство полосового громкоговорителя - высокий КПД, импульсные же и фазовые характеристики весьма посредственны и ухудшаются с ростом порядка. Для всех конструкций, кроме закрытого ящика-резонатора, желательно применение фильтра инфра-низких частот (как и для классического фазоинвертора).

Помимо рассмотренных конструкций полосовых громкоговорителей с одной динамической головкой известны также АС, имеющие две головки. Конструкция получена объединением двух одинаковых полосовых систем. Одна из камер становится общей, ее объем при этом удваивается. На (рис.6.1.9 А,Б)показаны два варианта оформления четвертого порядка, на рис.6.1.9 В – шестого.

рис 6.1.9

Сдвоенные головки. Практически во всех рассмотренных конструкциях можно использовать сдвоенные динамические головки. Для этого однотипные головки устанавливаются одним из показанных на рис.6.1.10 способов. Получившуюся конструкцию можно рассматривать как новую низкочастотную динамическую головку с совершенно другими свойствами. Теоретические значения полной добротности и частоты основного механического резонанса получившейся системы рассчитываются как среднее геометрическое от соответствующих величин исходных головок. Поскольку при сдваивании обычно используются однотипные головки с достаточно близкими параметрами, можно считать, что эти параметры практически не изменятся. Однако заключенный между диффузорами головок связанный объем воздуха увеличивает эффективную массу подвижной системы, понижая частоту основного механического резонанса головок больших размеров до 80% от исходной.

рис.6.1.10Установка сдвоенных головок:
А - лицом к лицу, Б - спина к спине,
В - в затылок, Г - со связанным объемом

По сей день основным материалом для изготовления корпусов акустических систем остается древесина. При этом учитывается, что дерево обладает собственными акустическими свойствами, а внесение корпусом собственных призвуков нежелательно. С ними борются как специальными гасящими конструкциями, так и применением вместо сплошной "чистой" древесины древесно-стружечной плиты (ДСП), столь нелюбимой нами в мебели. ДСП не имеет какой-либо структуры (каковой являются линейные волокна дерева), поэтому меньше подвержена резонансам. Снаружи ДСП отделывается разными покрытиями, в том числе имитирующими дерево (фанеровка), но эта отделка носит чисто декоративный характер.

Наряду с традиционным использованием дерева продолжаются попытки использования иных материалов - пластика, металла, камня. Существует довольно большое число пластиковых акустических систем, как правило, небольшого размера (ближнего поля), звучащих достаточно приемлемо и дешевых в силу технологичности изготовления корпусов. Однако попытки создания пластмассовых корпусов акустических систем большого размера пока не увенчались успехом (с точки зрения акустики, разумеется, а не "ящикостроения"). Дело в том, что большой корпус должен обладать и большой массой, иначе в нем начинают "гулять" такие резонансы, что их подавление обходится гораздо дороже, чем, например, в деревянном корпусе.

Довольно эффективны и в последнее время популярны металлические корпуса акустических систем. Это связано, в частности, с широким использованием в студийной практике компьютеров с традиционными электронно-лучевыми кинескопами мониторов, на которые плохо влияют магниты динамиков, если те находятся слишком близко. Металлический корпус акустической системы является в данном случае экраном. Кроме того, металл технологичен в изготовлении и обеспечивает необходимую по акустическим требованиям жесткость.

Интересные результаты дает и использование камня. Тут о технологичности изготовления корпусов говорить не приходится, но акустические результаты оказываются превосходны. Впрочем, проблема решается компромиссом - применением синтетического материала, позволяющего соединить простоту производства корпуса с массивностью и жесткостью камня.

Однако, несмотря на активные поиски новых материалов, основным остается "старое доброе" дерево.

Долгое время традиционное расположение динамиков на передней стенке корпуса в виде "снеговика" (внизу низкочастотный громкоговоритель, в середине - среднечастотный, и наверху - высокочастотный) устраивало пользователей. Однако было замечено, что расстояние от центров разных динамиков до слушателя часто различно, и звуки от них доходят до слушателя не строго синфазно. Величина несинхронности чрезвычайно мала, но проблема, как говорится, имеется. Решение было найдено в различных типах так называемых коаксиальных,находящихся на одной оси, громкоговорителях. В простейших случаях высокочастотный динамик закреплялся перед центром конуса низкочастотного диффузора, но, естественно, без физического соприкосновения с ним. Другой, более сложный, но и более изящный способ создания точечного излучателя предложила известная английская фирма Tannoy. В их, теперь уже классической системе, мембрана высокочастотного динамика находится сзади магнита низкочастотного динамика. В керне низкочастотного громкоговорителя проделаны каналы, по которым воздушное давление от высокочастотной мембраны проходит в направлении излучения низкочастотного диффузора, являющегося к тому же рупором для высоких частот. Так достигается идеальная точечность излучения.

Ранее упоминалось, что на высоких частотах диффузоры, особенно большие, колеблются в основном центральной частью, прилегающей к катушке. Это свойство было использовано при создании широкополосных громкоговорителей, популярных в профессиональной технике два-три десятилетия назад и встречающихся и поныне. В этих громкоговорителях в центральную часть диффузора вклеивался дополнительный микродиффузор, работавший как коаксиальный высокочастотный громкоговоритель. Конечно, результат был далек от качества настоящих коаксиальных систем, но отдача на высоких частотах у этих широкополосных динамиков действительно существенно улучшалась.

Современное производство предельно стандартизовано. Сложились стандарты и на размеры громкоговорителей - от мала до велика. Современные динамики принято мерить в дюймах, и это удобно: получается не только размер, но как бы и "номер изделия".

Даже для мощной акустики не применяются динамики больше 21", да и восемнадцатидюймовые встретишь не часто. Далее по порядку идут 15", 12", 10" и 8".

Среднечастотные - 8", 6,5" и 5". Высокочастотные - 4", 2,5" и 1,5". Впрочем, размеры диффузора имеют значение в основном для низкочастотных громкоговорителей, напрямую влияя на нижнюю границу диапазона и уровень звукового давления.

Реальную звуковую картину могут представить только большие акустические системы (контрольные мониторы) "дальнего поля", звучащие равномерно по всему диапазону частот и не перегружающиеся при рекомендованном уровне прослушивания (около 90 дБ).

                                           6.2Характеристики направленности.

Как следует из теории акустики, идеальным источником звука является "точечный" излучатель, то есть такой излучатель, размерами которого по сравнению с длиной излучаемой им звуковой волны можно пренебречь. К сожалению, реальные акустические системы весьма далеки от такого идеального излучателя и, более того, имеют различную диаграмму направленности для разных частот звукового сигнала. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя определяется отношением длины волны излучаемого им звукового сигнала и геометрического размера (диаметра) диффузора громкоговорителя. Кроме того, диаграмма направленности в области совместного действия излучения двух громкоговорителей АС зависит от взаимного фазового сдвига их сигналов, определяемых схемой разделительного фильтра акустической системы.

Сегодня в «колонкостроении» существует два подхода, связанных с направленностью акустических систем. Приверженцы первого из них утверждают: система должна быть остронаправленной, для того чтобы исключить вредные отражения звука. По этой логике остронаправленные колонки обязаны доставить звуковую информацию точно в зону прослушивания без нежелательных «примесей» в виде отражений от стен и различных предметов. Общеизвестными примерами могут служить колонки, построенные на остронаправленных коаксиальных динамиках (Tannoy, KEF). Коаксиальные двухполосные излучатели представляют собой собранные на единой магнитной системе среднечастотный и высокочастотный громкоговорители. Купольная "пищалка" собрана на внутреннем керне магнитной системы и находится внутри конусного диффузора среднечастотного громкоговорителя, который является своеобразным рупором-звуководом для звуковых волн, излучаемых "пищалкой". Такие излучатели обладают рядом уникальных особенностей, заметно выделяющих их из массы других громкоговорителей. Во-первых, благодаря используемой конструкции, центры излучения ВЧ и СЧ-громкоговорителей находятся практически в одной точке, что исключает возникновение фазовых и временных искажений излучаемых ими сигналов. Во-вторых, так как излучение средних и высоких частот физически осуществляется из одной точки пространства (условно), излучатели типа Uni-Q имеют хорошую диаграмму направленности на этих частотах благодаря этим серьезным преимуществам, звучание акустических систем с коаксиальными излучателями характеризуется отличной локализацией источников звука в пространстве. В европейских колонках встречаются схемы D'Appolito, в которых твитер расположен между двумя одинаковыми НЧ/СЧ-головками, — это обостряет направленность на ряде частот, снижая количество звуковых переотражений от пола и потолка. В дорогих колонках подчас встречаются целые гирлянды твитеров, призванные ювелирно фокусировать высокие частотыДиаметрально противоположный подход — ненаправленные акустические системы, или акустика с круговой направленностью. Такие громкоговорители, в силу своей конструкции, в полной

Рис.6.2.1 Диаграмма направленности акустической системы в вертикальной и горизонтальной плоскости

мере задействуют «фактор помещения». Эти разработки основываются на результатах многочисленных психоакустических исследований. Главными преимуществами звука ненаправленных (или обладающих «круговой направленностью») акустических систем считаются схожесть тембров прямого и отраженного звука в точке прослушивания, а

также повышенная «объемность» музыкального образа.Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 6.2.1), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат (рис. 6.2.1). При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты.

                                            6.3. Разделительныефильтры.

В акустических системах с электродинамическими головками для согласования их характеристик и диаграмм направленности используют разделительные фильтры. Кроме того, так как центры излучения этих громкоговорителей (примерно совпадающих с местом расположения звуковой катушки громкоговорителя) сдвинуты относительно друг друга (глубина СЧ- и особенно НЧ-громкоговорителя намного больше, чем у ВЧ- громкоговорителя), при расчете разделительных фильтров приходится учитывать необходимость коррекции возникающего при этом временного сдвига в излучаемой этими громкоговорителями звуковой волне с помощью фазокорректирующих цепочек. Уменьшение временной задержки в излучении различных громкоговорителей можно добиться и чисто конструктивными методами, смещая ВЧ- и СЧ-головку внутрь корпуса АС, например, используя наклонную переднюю панель акустической системы с "заваленной" назад верхней частью.

Что касается собственно самих разделительных фильтров, то их роль в современной АС существенно возросла. Это вызвано, с одной стороны, резким повышением требований слушателей к качеству звучания аудиоаппаратуры вообще и акустических систем в частности, а с другой стороны - возросшим качеством современных громкоговорителей. В этих условиях неоптимальное подключение громкоговорителей в акустической системе не позволит полностью реализовать потенциально высокое качество этих громкоговорителей. Поэтому разработчики современных фильтров для акустических систем учитывают при их проектировании не только требования обеспечить максимально плоскую АЧХ и линейную ФЧХ в полосе пропускания фильтра, но и учитывают при расчете элементов схемы фильтра изменение комплексного сопротивления громкоговорителя на разных частотах, требования обеспечения заданной диаграммы направленности акустической системы на этих частотах и т.д. Все это стало возможным благодаря широкому использованию при проектировании АС численных методов компьютерного моделирования и проектирования.

В современных акустических системах используются как простейшие разделительные фильтры 1-го порядка, так и многозвенные фильтры 4-го и даже 6-го порядка. Достоинством разделительных фильтров 1-го порядка (применяются, как правило, только в двухполосных АС) является хорошая переходная характеристика акустической системы (фронты сигналов воспроизводятся без паразитных выбросов), недостатком - малая крутизна фильтра в полосе затухания (6 дБ/октава), в результате чего имеется широкий частотный диапазон совместной работы НЧ-и СЧ-громкоговорителей. Многозвенные фильтры высоких порядков обеспечивают существенно большую крутизну спада характеристики в полосе затухания (12, 18 и даже 24 дБ/октава), но имеют худшую переходную характеристику и волнистую АЧХ в полосе пропускания фильтра. В зависимости от критерия выбора аппроксимирующей АЧХ фильтра математической функции различают несколько типов разделительных фильтров.

Фильтры Баттерворта имеют линейную АЧХ в полосе пропускания фильтра, резко обрывающуюся в полосе затухания фильтра. Однако переходная характеристика таких фильтров носит сильно выраженный колебательный характер. Фильтры Бесселя также имеют линейную АЧХ в полосе пропускания и сравнительно резкий спад в полосе затухания. Однако благодаря линейной зависимости фазового сдвига сигнала в зависимости от его частоты переходная характеристика АС с такими фильтрами хотя и имеет выброс на АЧХ, но не имеет колебательного характера. Фильтры Чебышева имеют чрезвычайно резкий спад АЧХ в полосе затухания, однако АЧХ фильтра в его полосе пропускания носит волнистый характер. Наиболее сложные схемы разделительных фильтров включают в себя также специальные корректирующие цепи, которые компенсируют изменение импеданса громкоговорителя на разных частотах. В результате такой стабилизации импеданса условия работы разделительного фильтра существенно улучшаются, так как он нагружен на постоянный и согласованный с ним импеданс нагрузки (громкоговоритель). Поэтому параметры АЧХ фильтра получаются близкими к расчетным. В случае же работы фильтра на рассогласованную нагрузку значения параметров его АЧХ и ФЧХ становятся непредсказуемыми. Нет нужды говорить, что это губительно сказывается на качестве звучания АС.

Иногда в схему фильтра включают также специальные режектирующие цепочки с целью блокирования в фильтре сигналов на частоте резонанса громкоговорителя ,такие цепочки используют в фильтрах СЧ- и ВЧ-громкоговорителей.

Итак, как мы видим, в современных АС используются весьма сложные схемы фильтров, количество элементов в которых (особенно при встраивании в схему фильтра элементов защиты громкоговорителей) может достигать нескольких десятков. С другой стороны, многие высококачественные АС имеют простейшие фильтры 1-2-го порядка, состоящие всего из нескольких электронных компонентов.

7. Выбори расчет параметров оптимального варианта акустического оформления.

В процессе разработки акустической системы, мною поставлена задача получения высокого качества концертного звучания, позволяющего в полном объеме раскрыть эмоциональный потенциал музыкального материала в помещениях различного объема а также на открытых площадках.

Результатом бакалаврской работы должен быть математический расчёт АС с блоком фильтров. АС будет иметь следующие особенности:

1.З полноценных полосы (НЧ,СЧ, рупорная ВЧ)

2.Равномерную частотную характеристику (отклонение в области низких частот ±4 дБ в области низких частот)

3.Акустическое оформление будет представлять собой ящик с фазоинвертором аппроксимирующий аналитическое выражение фильтра Баттерворта 3-го порядка, для получения равномерной частотной характеристики в области НЧ

4.Выбор экспоненциального рупора для ВЧ излучателя, для повышения мощности излучателя в верхнем диапазоне частот.

5.В качестве излучателей я буду брать динамические головки различных производителей, которые будут иметь удовлетворительные параметры для решения поставленной задачи.

                                7.1. Программная среда SPEAKERSHOP

Приступим сразу и непосредственно к предмету рассмотрения - компьютерному программному обеспечению SPEAKERSHOP, подготовленному специалистами фирмы JBL для разработки и расчета параметров акустического оформления сабвуферов. Сразу оговорюсь, что программа хорошо сработает применительно и к домашней акустике, но это не наш случай, и что она позволяет производить вычисления не только для динамиков JBL, а собственно для самых разных изделий - были бы известны значения необходимых характеристик.

Это программное обеспечение помогает определить объем и размеры корпуса и оценить качество звучания. Конструкция анализируется в два этапа. Прежде всего определяется, как она будет работать при нормальных уровнях прослушивания. Эта процедура называется анализом на малых сигналах и включает в себя расчет амплитудной (частотной) характеристики, характеристики сопротивления звуковой катушки, фазовой характеристики и групповой задержки. Во вторую очередь для конструкции моделируется режим максимальной громкости. Этот этап называется анализом на больших сигналах и включает в себя нормы термальной акустической мощности в диапазоне средних частот и характеристику максимальной мощности при различных отклонениях.

Существуют два способа конструирования корпусов с помощью программы SPEAKERSHOP Enclosure Module. Один из них предусматривает конструирование корпуса для определенных выбранных динамиков. При этом варьируются характеристики корпуса. Другой способ заключается в поиске подходящих динамиков для существующего корпуса: вы подбираете модели динамиков. Метод конструирования может быть выбран с помощью команды Variable в меню Options.


                                                              Ммс м              

                           

                                                           Рис 7.1.1

           Электронная таблица содержит колонки для конструирования шести корпусов.

Первые три предназначены для расчета корпусов с фазоинвертором - для оптимальной, пользовательской (т.е. проектируемой самим мастером) конструкций и для корпусов, рассчитанных на определенную полосу частот. Следующая колонка предназначена для пользовательской конструкции корпуса с пассивным излучателем. Последние две колонки предназначены для оптимальной и пользовательской

конструкции для корпусов закрытого типа.    

Режим, когда изменяемой величиной является сам динамик, задается с помощью команды Variable-Loudspeaker в меню Options. Это на случай выбора подходящих динамиков для уже существующего корпуса. Режим очень удобен для расчетов звуковоспроизводящих систем автомобилей, когда необходимо подобрать динамик под строго заданный объем, так как позволяет быстро проверять работу нескольких различных акустических систем в конкретном корпусе или в определенном ограниченном пространстве.

В режиме Variable-Loudspeaker используется электронная таблица-меню другого вида. Вместо показа шести различных конструкций корпусов, как это делается в режиме Variable-Box, одновременно демонстрируются шесть различных динамиков. Таким образом дается возможность быстро сравнить до шести различных моделей. В данном пакете предоставляется возможным вводить минимальные параметры, включающие в себя название производителя (Manufacturer), название модели (Model), Fs, Vas и Qts. Номинальную эффективность или чувствительность необходимо вводить только при конструировании корпусов с фазоинвертором.

В базе хранятся значения всех необходимых характеристик большого количества динамиков самых разных фирм-изготовителей. "Сектор обстрела" очень широк, достаточно перечислить в качестве иллюстрации несколько фирм из начала списка: A&S Speakers, Acoustic Research, AcousticPro - и из его окончания: Xtasy Audio, Yamaha, Zachry. Конечно же, если вы не обнаружили искомую модель, то ее можно вместе с характеристиками внести в базу, наращивая содержащуюся в ней информацию. Более того, если у вас есть возможность измерить амплитудно-частотные характеристики динамика в специальном тестовом корпусе-экране или получить эти данные от производителя, то предусмотрен вариант поточечного внесения экспериментальных значений. Понятное дело, добавление экспериментальных данных повысит точность результата расчетов.Программа также позволяет проводить автоматический подбор моделей динамиков, удовлетворяющих наперед заданным условиям. Целью оптимизации конструкции корпуса с фазоинвертором является выбор объема, обеспечивающего наиболее ровную и плавную амплитудную характеристику в области частот настройки порта фазоинвертора. Преимуществами такой конструкции являются более широкая характеристика в диапазоне средних и низких частот, меньшие искажения за счет меньшей амплитуды диффузора, более высокая эффективность и меньшая общая стоимость. Конструкция корпуса с фазоинвертором относительно чувствительна к изменению параметров динамика. В таком корпусе лучше работают динамики с достаточно низким Qts (от 0,2 до 0,5). Конструкции корпусов с фазоинвертором допускают значительно большую частоту резонанса (Fs), а также применение звуковых катушек с укороченным шагом намотки (низкое значение Xmax) и более жесткого подвеса (небольшое значение Vas), чем конструкции закрытых корпусов. Уменьшение корпуса с фазоинвертором потребует более низкого Qts и меньшего значения Vas.

Система с большой бассовой отдачей и система с более "гладкой" басовой АЧХ; 2)Недостаточно задемпфированная система (объем короба мал) и передемпфированная система (объем короба велик)

                        Рис 7.1.2

    Далее приводим краткую расшифровку обозначений параметров:

Fs - Собственная резонансная частота динамика (Гц).

Qts - Добротность динамика для значения частоты Fs с учетом всех электромагнитных и механических потерь.

Vas - Объем воздуха, имеющий упругость, эквивалентную упругости подвеса динамика (кубические футы или дюймы, а также литры).

Получаемые "на выходе" графики

    

Рис 7.1.3               

                    7.2. Расчетакустическойсистемы. Описание конструкции.

Для расчёта акустического оформления потребовались параметры Тиле-Смолла низкочастотных динамиков. Характеристики динамиков выбираем из базы данных программыSPEAKERSHOР. Мною был выбрана динамическая головка JBL 1800GTi которая имеет следующие характеристики:        

  • Fs=30 Гц - резонансная частота
  • Qms=5,54 - механическая добротность
  • Vas= 362 литра - эквивалентный объём
  • Dia=42,5 см - эффективный диаметр диффузора
  • Qts=0,43 - полная добротность
  • Qes=0,456 - акустическая добротность
  • Re=3 Ом - сопротивление постоянному току
  • Z=4 Ом - импеданс
  • Pe=600 Вт - предельная мощность

Отношение Fs/Qts получилось порядка 93, из чего я сделал вывод, что динамик больше тяготеет к фазоинверсному акустическому оформлению. Поясню: по отношению резонансной частоты к добротности можно довольно точно определить тип будущего акустического оформления. Если это отношение мене 50 то динамик однозначно создан

для закрытого корпуса, если более 100 – то для фазоинвертора.

Подставив данные в JBL Speaker Shop получил характеристики:

             Рис 7.2.1 АЧХ динамика JBL 1800GTi в ящике с фазоинвертором.

При расчете программой внутренний объем короба составил 380 литров. Исходя из этого предложеноследующие размеры сторон акустической системы.

Корпус громкоговорителя будет изготовлен из фанеры или древесно-стружечной плиты толщиной около 20 мм.. Места соединения боковых стенок с верхней и нижней стенками будет укреплено прямоугольными ребрами жесткости изготовленными из стали. Для устранения влияния отражения сигнала на средних частотах внутри корпуса будет размещен простеганный слой натуральной или минеральной ваты толщиной не менее 50 мм. Такое покрытие должно быть выполнено по всей внутренней поверхности корпуса. ВЧ и СЧ динамики установлены с внешней стороны передней панели.

Для акустической изоляции СЧ и ВЧ динамиков, будут изготовлены небольшие боксы из 10-и миллиметровой фанеры.

Также с помощью программы определили

частоту настройки ящика-фазоинвертора.

fb =26,8 Гц.

Выбрав соотношение сторон ящика равными 1:0.8:0.5,найдем его высоту ширину и глубину.1.4;0.6;0.5.При толщине передней панели и остальных стенок 20мм. Наружные размеры ящика будут равны 1.42•0.62•0.52м. Расчет фазоинвертора основан на определении акустической массы.которая вместе с гибкостью свободного объема ящика   резонирует на частоте.

                    Рис 7.2.2

Отношение длины трубы Lv к площадивыходногоотверстияSv: (8.2.1)

Подставляя в последнее уравнение численные значения свобод­ного объема и частоты настройки, получаем: =11.17

             Следует отметить, что Lv — кажущаяся длина инвертора, вклю­чающая в себя как непосредственно длину трубы или полки, так и приращение за счет краевых эффектов.

Абсолютные значения Sv и Lv при сохранений нужного отноше­ния выбираются из следующих соображений. Площадь фазоинверсного отверстия не может быть слишком малой, иначе за счет боль­шой колебательной скорости в инверторе могут возникнуть нелиней­ные искажения и посторонние призвуки. По воз­можности Sv приближают к верхнему пределу. Однако, чем больше площадь инвертора, тем большей должна быть его длина, чтобы отношение Sv/ Lv оставалось неизменным. Размещение же большой трубы в ящике связано с усложнением его конструкции и увеличе­нием размеров.

При всех условиях свободный внутренний объем ящика не дол­жен изменяться. Кроме того, слишком длинная труба в верхней ча­сти низкочастотного диапазона перестает работать как система с сосредоточенными параметрами, что может привести к увеличению не­равномерности  частотнойхарактеристики   громкоговорителя.

Для рассматриваемого примера выберем площадь фазоинверсного отверстия равной 0,3 эффективной площади диффузора. При соот­ношении эффективного и номинального диаметров Dэфф=0,74D(8.1.2) для головки с D = 0,42 м площадь фазоинверсного отверстия составит:Sv=0.3∙3.14∙-2

Из условия Lv/Sv=11.17получим Lv=0,25 м. Чтобы опреде­лить истинную длину ивертора, из найденного значения следует вы­честь поправку на краевые эффекты:

(8.2.3)

Следовательно,длина   инвертора,   включая   толщину   передней стенки, составит:

L= 0.25 -0.2 м.

Конструктивно фазоинвертор может быть выполнен, например, в виде трубы круглого или прямоугольного сечения. Определив точ­ные размеры инвертора, можно проверить правильность расчета раз­меров ящика. Полный внутренний объем ящика должен быть равен сумме необходимого свободного объема, объема, занимаемого голов­кой, инвертором и брусьями каркаса

8.Заключение

Данная работа посвящена одному из важнейших направлений прикладной акустики - разработке и расчету мощной акустической системы.Разработчиком этого проекта была поставлена задача добиться линейной частотной характеристики в области низких частот. Для этого было выбрано акустическое оформление в виде ящика с фазоинвертором аппроксимирующим аналитическое выражение фильтра Баттерворта 3-го порядка.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

· Внутренний объем и геометрические размеры корпуса

· Частота настройки ящика-фазоинвертора

· Значение добротности для корпуса

· Амплитудно-частотная характеристика акустической системы

· Нижняя граничная частота по уровню -3дБ

· Диаметр и площадь поперечного сечения воздуховода

· Длина воздуховода в корпусе с фазоинвертором

                                             9.Список литературы

1 1985 г.,

2 Виноградова И.Л."Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками".-М.:Энергия, 1978-48 с.

3 С."Акустическиесистемы для концертныхзалов". Журнал Звукорежиссер №9 1999г

4 "Теоретические основы электроакустики и электороакустическая аппаратура".-М.:Искусство,1982.-415с.

5 Эфрусси М.М. "Акустическое оформление громкоговорителей".- М.:Госэнергоиздат, 1962-48 с.

6 Эфрусси М.М. "Громкоговорители и их применение".- М.: Энергия, 1971-96 с.

7 Сапажков М.А. "Электроакустика".- М.: Радио и связь, 1978-272 с.

8 Вейценфельд А. "Акустические системы" .Журнал Звукорежиссер №3 1998г

9 "Электроакустика" .- М.: Гостехиздат, 1948-515 с.

10"Громкоговорители" .- М.: Энергия, 1964-31 с.

11Дрейзен И.Г. "Курс электроакустики" .-М.: Связьиздат, 1940-127с

12 "Концертные технологии"- статья. .

13"Громкоговорители. Конструирование и производство"              М.-Л:, Энергия 1972-248 с.

14Мак-Лаклен "Громкоговорители".Сокр. пер. с англ. под ред. Рабиновича И.С. и Гиршгорна И.С. -М.: Радиоиздат,1938-200с

15"Акустическое оборудование киностудий и залов " М.: Искусство,1980-176 с

16.Исакович М.А. "Общая акустика" М.: Наука, 1973-198 с.

17