6.5. РУПОРНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причиной этого является несогласованность сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для увеличения сопротивления излучения следовало бы увеличивать размеры излучателя, но это влечет за собой увеличение механического сопротивления массы излучателя и не дает выигрыша в КПД. Так как диффузор выполняет две функции: функцию преобразования механических колебаний в акустические и функцию излучения этих колебаний в окружающую среду, то разрешить такое противоречие можно только путем разделения этих функций. Это разделение функций 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 — служит нагрузкой для механической системы. Таким образом, излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая система — небольшой и потому легкой.

Рупоры применяют с различным законом изменения их поперечного сечения. Наиболее распространенные рупоры — экспоненциальные, реже — конические. Для экспоненциального рупора поперечное сечение изменяется по следующему закону:

где показатель расширения рупора; входное поперечное сечение; расстояние от входа рупора (рис. 6.13).

Сначала рассмотрим бесконечный рупор, т. е. рупор, у которого нет отражения волн от выходного конца. Для такого рупора входное сопротивление (см. [1], где активная составляющая входного сопротивления рупора; — реактивная составляющая его; с — скорость звука; так называемая критическая частота рупора.

Из рассмотрения частотной зависимости входного сопротивления экспоненциального рупора бесконечной длины (см. рис. 6.13, кривые следует, что активная составляющая сопротивления рупора для частот,

Рис. 6.13. Экспоненциальный рупор: эскиз рупора и зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления рупора от частоты 1 — активная составляющая для экспоненциального рупора бесконечной длины; 2 — реактианая составляющая для него же 3 — активная составляющая для «его же в случае конечной длины 4— активная составляющая входного сопротивления для конического рупора

ниже критической, равна нулю, присутствует только реактивная составляющая. Это свидетельствует о том, что рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее после окончания вынужденных колебаний в виде своих свободных колебаний в механическую систему. Реактивная составляющая имеет инерционный характер, т. е. представляет собой соколеблющуюся массу, вносимую в механическую систему. Эта составляющая на средних и высоких частотах ничтожно мала, а на низких — выше критической частоты в большинстве случаев ею можно пренебречь без внесения заметной ошибки, поэтому в дальнейшем не будем ее учитывать.

Выше критической частоты активная составляющая быстро нарастает до сопротивления, равного сопротивлению плоской волны, и далее остается постоянной. Закон ее изменения напоминает частотную характеристику фильтра ВЧ. Для сравнения на рис. 6.13 (кривая 4) приведена частотная зависимость входного сопротивления конического рупора, имеющая значительно менее крутой подъем к высоким частотам. В этом и заключается недостаток конического рупора по сравнению с экспоненциальным. 4

Критическая частота экспоненциального рупора тема выше, чем круче он расходится, поэтому для смещения нижней границы частотного диапазона вниз приходится применять рупоры с пологим расхождением.

В рупорах конечной длины из-за несогласованности сопротивлений рупора с окружающей средой возникают отражения звуковых волн от его устья. В рупоре возникают стоячие волны. А из-за этого частотная характеристика входного сопротивления рупора становится волнообразной (см. рис. 6.13, кривая 3), правда, только на низких частотах, на которых фронт излучаемой волны близок к сферическому. Для средних и высоких частот длины излучаемых волн оказываются больше размеров излучающего отверстия рупора, и потому фронт волны в конце рупора становится плоским и остается таким после выхода из него. Вследствие этого не происходит отражения волн от конца рупора. Так как размеры выходного отверстия для широкополосных громкоговорителей берут в пределах то такое явление наблюдается, уже начиная с частоты 300— 500 Гц

Выходное отверстие рупора определяет и направленность его излучения. На рис. 6.3 были приведены характеристики направленности для поршневой диафрагмы в бесконечном экране при разных соотношениях Оказывается, что эти соотношения почти полностью пригодны и для рупорного излучателя, если длины излучаемых волн меньше размеров выходного отверстия. В этом случае в отверстии рупора образуется волна по фронту, близкая к плоской. Следовательно, при размерах устья рупора в для частот выше 300— 500 Гц можно пользоваться этими соотношениями. На низких частотах излучение из отверстия рупора будет менее направленным, чем у поршневой диафрагмы, так жак из-за отсутствия экрана будет иметь место расхождение волн в угле вместо

Длина рупора определяется из (6.20) отношением площадей входного и выходного отверстий рупора:

Если надо иметь острую направленность и низкую нижнюю границу передаваемого частотного диапазона, следует увеличивать выходное отверстие рупора и уменьшать критическую частоту, вследствие чего приходится брать рупор большой длины. Для этого рупор часто свертывают или складывают (рис. 6.14).

Коэффициент концентрации рупоров зависит от частоты. На средних частотах он доходит до 30—50. Такая высокая концентрация создает большое осевое звуковое давление, передающий рупор как бы усиливает звук. На самом деле он только концентрирует звуковую энергию в определенном направлении. Кроме того, вследствие согласованности сопротивлений рупора и окружающей среды, с одной стороны, и рупора и механической колебательной системы, с другой, излучаемая мощность при использовании рупора больше, чем без него. Наименьшая зависимость коэффициента концентрации от частоты получается, если выбрать параметры экспоненциального рупора с круглым выходным отверстием, удовлетворяющим следующему условию: где так как

диаметр выходного отверстия рупора. В этом коэффициент концентрации в широком диапазоне частот.

Рис. 6.14. (см. скан) Виды рупоров: а) сдвоенный рупор; б) секционированный рупор; в) сложенный рупор

Большое распространение получили рупоры с прямоугольным выходным отверстием. Такие рупоры имеют разную направленность во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рупора, продольную и поперечную оси выходного отверстия. Направленность в каждой из этих плоскостей (продольной и поперечной) определяется отношениями размеров выходного отверстия с одной стороны и длиной волны с другой (6.19). Часто применяют сдвоенные круглые рупоры, т. е. два отдельных рупора со смежными выходными

отверстиями (см. рис. 6.14а). Такие рупоры могут приближенно рассматриваться как рупоры с прямоугольным выходным отверстием, имеющим поперечные размеры где диаметр выходного отверстия рупора.

В тех случаях, когда надо иметь одинаковое излучение в пределах телесного угла около не зависящее от частоты, применяют секционированные рупоры (см. рис. 6.146).

В заключение следует сказать, что для концентрации или рассеяния звуковых волн применяют 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 из пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве).

Кроме частотных искажений, рупор вносит нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора.