Глава 6. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ТЕЛЕФОНЫ

6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Громкоговорители и телефоны — это преобразователи электрических колебаний в акустические. В большинстве типов громкоговорителей и телефонов электрическая энергия преобразуется в акустическую. Есть громкоговорители, основанные на релейном принципе, в которых энергия постоянного потока воздуха преобразуется в акустическую энергию под действием акустических или механических колебаний (например, пневматические громкоговорители).

Работа громкоговорителей оценивается с помощью следующих технических показателей [8в].

Номинальная мощность максимальная подводимая электрическая мощность, ограниченная тепловой и механической прочностью громкоговорителя и возникновением нелинейных искажений, превышающих заданную величину. Обычно она меньше паспортной. Громкоговоритель не должен выходить из строя при длительном воздейсгвии этой мощности.

Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению — зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля (находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра) от частоты при постоянном напряжении на зажимах громкоговорителя.

Рабочий центр — обычно геометрический центр симметрии выходного отверстия излучателя. Для сложных излучателей раббчий центр указывается в описании громкоговорителей.

Неравномерность частотной характеристики и эффективно воспроизводимый диапазон частот определяются по частотной характеристике, снятой на рабочей оси (см. § 3.9). Рабочая ось обычно совпадает с геометрической осью излучателя, а для сложных излучателей она указывается в описании громкоговорителей.

Среднее звуковое давление среднеквадратичное значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенном диапазоне частот в заданной точке свободного поля. Усредняют значения звукового давления, измеренные на частотах, распределенных равномерно в логарифмическом масштабе»

Среднее стандартное звуковое давление среднее звуковое давление, развиваемое в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии от рабочего центра при подведении к громкоговорителю напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности

В справочниках иногда приводится номинальное звуковое давление отличающееся от среднего стандартного тем, что определяется оно при подведении номинальной мощности.

Характеристическая чувствительность отношение среднего звукового давления развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии от рабочего центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности

Между характеристической чувствительностью и средним стандартным звуковым давлением существует прямая связь:

Для расчетов часто пользуются понятием осевой чувствительности громкоговорителя по напряжению, под которой подразумевают отношение звукового давления развиваемого на рабочей оси на расстоянии от рабочего центра громкоговорителя в свободном поле, к:

подводимому напряжению: Эта чувствительность зависит от частоты.

Входное сопротивление громкоговорителя — Так как в общем случае зависит от частоты, то в справочниках приводят номинальное электрическое сопротивление — минимальный модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя в диапазоне частот выше частоты основного резонанса механической колебательной системы громкоговорителя.

Характеристика направленности — зависимость звукового давления развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля (находящихся на одинаковом расстоянии от рабочего центра), от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на указанную точку. Обычно эту характеристику нормируют по отношению к осевому звуковому давлению

Характеристика направленности изменяется в зависимости от частоты, поэтому ее измеряют или на ряде частот, или для заданной полосы частот. Характеристику направленности, снятую в плоскости, называют диаграммой направленности. Диаграмму направленности обычно изображают в полярных координатах (рис. 6.1). При этом радиус-вектор соответствует величине [см. (6.2)]. Иногда диаграмма направленности строится для значений в децибелах.

Рис. 6.1. Диаграмма направленности громкоговорителя; угол излучения

Определяют ее для ряда плоскостей, проходящих через рабочую ось. Если излучатель громкоговорителя имеет осевую

симметрию, то его характеристика направленности тоже будет иметь осевую симметрию. В этом случае достаточно иметь характеристику направленности только для. одной плоскости. В большинстве случаев достаточное иметь диаграммы направленности для двух взаимно перпендикулярные плоскостей.

Направленность характеризуют коэффициентом осевой концентрации Коэффициентом осевой концентрации называют отношение квадратов величин звукового давления, измеренных в условиях свободного поля на определенном расстоянии от рабочего центра громкоговорителя: на рабочей оси и усредненного по всем радиальным направлениям исходящим из рабочего центра:

Следовательно, для ненаправленных громкоговорителей коэффициент осевой концентрации равен единице, так как а для направленных — больше единицы (он может достигать нескольких десятков). Так как акустическая мощность излучателя представляет собой поток энергии через всю сферическую поверхность, то для ненаправленного излучателя она может быть определена из (1.15) и (1.21):

где интенсивность звука на расстоянии от рабочего центра громкоговорителя; звуковое давление на том же расстоянии; удельное акустическое сопротивление.

Отсюда следует, что излучаемая акустическая мощность громкоговорителя пропорциональна квадрату развиваемого им звукового давления. Исходя из этого, акустическая мощность направленного излучателя будет равна акустической мощности ненаправленного излучателя, создающего звуковое давление, равное при прочих равных условиях, т. е.

Следовательно, коэффициент осевой концентрации

можно определить как отношение акустических мощностей ненаправленного и направленного излучателей при условии равенства их осевых звуковых давлений

Для направленного громкоговорителя соответственно (6.3) акустическая мощность

Исходя из этого коэффициент осевой концентрации можно определить как отношение квадратов осевых значений звукового давления, развиваемых направленным ненаправленным громкоговорителями, при условии, что они излучают одинаковую мощность, т. е.

Это определение показывает, что осевая концентрация энергии больше у того громкоговорителя, у которого при равной излучаемой мощности развиваемое звуковое давление на оси будет больше.

Следует сказать еще об одной интерпретации характеристики направленности. На больших расстояниях от излучателя (по сравнению с его размерами) для сферической вшны звуковое давление изменяется обратно пропорционально расстоянию от громкоговорителя, т. е.

Основываясь на, этом соотношении, можно прийти к важному выводу. Если на расстоянии от громкоговорителя под углом 9 авуковое давление будет то, оставаясь под тем же углом и приближаясь к громкоговорителю, можно найти точку, в которой туковое давление будет равно осевому рос (см. рис. 6.11). Эта точка будет находиться от (громкоговорителя на расстоянии

Поэтому из (6.2) имеем

Таким образом, угловая зависимость относительной величины расстояния громкоговорителя), для которого звуковое давление будет одинаковым для всех углов (изобара), совпадает по форме с характеристикой направленности. Это справедливо только для сферической волны.

Коэффициент осевой концентрации для характеристики направленности с осевой симметрией можно вычислить по следующей формуле (см. [1], с 51):

Коэффициент нелинейных искажений измеряют для ряда заданных частот при подведении к громкоговорителю синусоидального напряжения, соответствующего номинальной мощности, а иногда и для так называемой рабочей мощности.

КПД громкоговорителя. В паспортных данных КПД громкоговорителя обычно не приводится. Вместо него указывают стандартное звуковое давление или характеристическую чувствительность, однозначно связанные между собой и с акустической мощностью. Если подвести к громкоговорителю электрическую мощность то согласно определению стандартного звукового давления росрст. Для этой электрической мощности при получаем акустическую мощность (6.5)

и КПД

где в паскалях,

Согласно определению номинального звукового давления при Рном имеем откуда в соответствии с (6.5) и определением (6.1)

где характеристическая чувствительность в

Осевая чувствительность громкоговорителя может быть представлена в следующем виде:

где - акустическая чувствительность; механическая чувствительность; коэффициент электромеханической связи; электрическая характеристика; полное механическое сопротивление подвижной системы (модуль); входное электрическое сопротивление громкоговорителя (модуль); звуковое давление на расстоянии от громкоговорителя; подводимое напряжение к нему, В заключение приведем классификацию громкоговорителей. По принципу преобразования громкоговорителя

делятся на электродинамические (в просторечии — динамики), электростатические и релейные. Электромагнитные из-за низкого качества звучания теперь не применяются. По типу излучателя громкоговорители делятся на диффузорные и рупорные, а также на одиночные и групповые. Электростатические по типу преобразователя делятся на конденсаторные, электретные и пьезогромкоговорители. К релейным относятся только пневматические громкоговорители.