6.5. КОНСТРУКЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ОФОРМЛЕНИЙ ПЛОСКИЙ ЭКРАН

Наиболее простой вид оформления — плоский экран. Даже при сравнительно небольших его размерах воспроизведение низких частот значительно улучшается. Вместе с тем в области средних, и особенно высоких, частот экран уже не оказывает существенного влияния. Конструктивно экран рекомендуется выполнять в виде толстой доски или фанеры толщиной в которой вырезано отверстие по диаметру диффузородержателя головки громкоговорителя. В это отверстие последний и вставляется. Экран выполняют квадратной или лучше прямоугольной формы. Предпочтительное отношение сторон прямоугольника (ширина к высоте) Что касается абсолютных размеров экрана, желательно, чтобы на нижней границе диапазона частот, который акустическая система должна воспроизводить (за которую целесообразно принять резонансную частоту головки громкоговорителя), эквивалентный диаметр экрана (диаметр круга, площадь которого равна площади экрана) где длина звуковой волны на нижней граничной частоте диапазона; добротность головки громкоговорителя на резонансной частоте (см. §.6.1). При таких размерах экрана частотная характеристика получается наиболее равномерной. Если экран не может быть таких размеров, то следует на нижней граничной частоте диапазона ожидать спада где вычисленный по вышеприведенной формуле диаметр; фактический диаметр.

Пример. Резонансная частота головки громкоговорителя 85 Гц. Ее добротность 2. Требуется определить спад на резонансной частоте, если по конструктивным соображениям фактически эквивалентный диаметр равен

Определяем желательный диаметр экрана При диаметре спад на нижней граничной частоте

Размещать головку громокговорителя рекомендуется в случае прямоугольного экрана в его центре. Смещение от центра уменьшает развиваемое звуковое давление и ухудшает частотную характеристику. Для квадратных экранов некоторое смещение места установки головки несколько улучшает частотную характеристику, хотя одновременно и снижает звуковое давление. Следует еще остановиться на том, как «врезать» головку в

(см. скан)

экран. Здесь настоятельно рекомендуется выполнять это так, чтобы передняя плоскость днффузородержателя (обычно поверхность картонных секторов) была заподлицо с передней плоскостью экрана. В противном случае перед головкой образуется цилиндрическое углубление (род короткой трубы). Столб воздуха находящийся в нем, может резонировать на ряде частот и тем самым ухудшать частотную характеристику и качество звучания акустической системы. Наконец, следует учесть, что головка громкоговорителя в экране, по существу, является открытой и поэтому может легко покрываться пылью. Во избежание этого необходимо спереди закрывать головку какой-либо радиотканью, удерживаемой металлической рамкой, (круглой, эллиптической, прямоугольной), притягиваемой к экрану, шурупами. Следует при этом обратить серьезное внимание, чтобы ткань была натянутой и ни в коем случае не резонировала, что можно обнаружить на глаз или на ошупь, подавая на громкоговоритель напряжение низкой частоты от звукового генератора. Сзади, со стороны магнитных цепей, на головку громкоговорителя рекомендуется надевать «юбочку», например из бязи.

Встречаются описания акустических систем, в которых головка громкоговорителя вставляется в отверстие в стене комнаты, т. е. стена является экраном. Принципиально такое конструктивное решение выгодно, но при этом не надо забывать, что звучание акустической системы будет иметь место не только в той комнате, в которой акустическая система предназначена работать, но и в той, куда выходит задняя сторона головки громкоговорителя, что, конечно, не всегда желательно. Если же такое решение возможно, то оно дает заметное улучшение частотной характеристики и качество звучания, особенно на низких частотах. Разумеется, что и в этом случае в силе все вышеприведенные рекомендации по врезанию головки громкоговорителя теперь уже в стену. Дополнительно мешочек сзади головки следует сделать побольше (например, в виде полусферы с диаметром, равным диаметру головки) и набить его хлопчатобумажной ватой, что предохранит от нежелательных резонансов. Естественно, что такую полусферу надо как-то замаскировать, чтобы она не портила вида той комнаты, в которую она выходит.

ОТКРЫТЫЙ КОРПУС

Распространенный вид акустического оформления — открытый корпус. Он представляет собой ящик, у которого задняя стенка или полностью отсутствует, или же имеет ряд сквозных отверстий (например, из перфорированного картона, пластмассовая со щелями или отверстиями и т. д.). Головки устанавливаются обычно на передней стенке ящика. Его внутренний объем, как правило, используется для размещения деталей электрической схемы, например приемника. Акустическое действие открытого оформления подобно действию экрана. Наибольшее влияниё на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывают передняя стенка (на которой смонтированы головки громкоговорителей) и ее размеры. Вопреки распространенному мнению, боковые стенки открытого оформления влияют на характеристику акустической системы мало. Таким образом важен не внутренний объем оформления, а площадь передней стенки. Размеры ее (эквивалентный диаметр передней стенки) из-за влияния боковых можно делать на меньше размеров экрана. Конечно, если оформление сделать очень глубоким, то оно может начинать действовать как труба, резонирующая на некоторых частотах, тем более низких, чем больше длина трубы. Естественно, это яйляется нежелательным, поскольку такие резонансы бывают из-за появления пиков и провалов на частотной характеристике акустической системы. Кроме нежелательности большой глубины открытого оформления, оно должно удовлетворять еще некоторым требованиям. Прежде всего, следует избегать каких-либо отверстий и щелей в акустическом оформлении (за исключением отверстий или щелей задней стенке). Особенно опасны они на передней стенке как причины акустического «короткого замыкания» и как причины, которые могут привести к резкому ухудшению воспроизведения низких частот. Поэтому, в частности, рекомендуется устанавливать головки громкоговорителей на передней стенке с уплотнением в виде кольцевой прокладки из резины, пленки и т. п. между диффузородержателем и передней стенкой. Уплотнением могут служить и картонные сектора, обычно располагающиеся на диффузородержателе. Но тогда надо уплотнить щели между ними. Головку надо притягивать к стенке винтами или шурупами, но не очень сильно, чтобы не покоробить диффузоро-держатель и темсамым не вызвать перекоса подвижной системы, что может привести к нелинейным искажениям и явиться причиной дребезга. Задняя сторона головки громкоговорителя не должна быть закрыта, как это часто делают, деталями схемы, не должна «задыхаться». Несоблюдение этого требования приводит к снижению звукового давления, развиваемого акустической системой. Можно рекомендовать, чтобы детали схемы не занимали более внутреннего объема оформления. Размеры передней стенки, как уже говорилось при рассмотрении работы акустического экрана, желательно иметь как можно больше. Ограничением здесь являются только соображения удобства размещения и пользования, Что касается места установки головки на передней панели и соотношения ширины и высоты последней, то тут рекомендации такие же, как и в случае плоского экрана. Площадь перфорации или щелей в задней стенке должна составлять всей площади этой стенки.

Конфигурация оформления закрытого типа оказывает большое влияние на форму

Рис. 6.26. Зависимость неравномерности частотных характеристик громкоговорителя от акустических оформлений различной формы

частотной характеристики на средних частотах, вызывая появление многочисленных пиков и провалов в случае неудачной формы. Это хорошо видно из рассмотрения частотных характеристик (рис. 6.26) для разных конфигураций оформления: сферического (шара), куба, усеченной пирамиды, параллелепипеда. Эти характеристики сняты при условии, что скорость колебаний подвижной системы головки не изменяется при изменении частоты (что практически, конечно, не соблюдается). Наиболее благоприятной формой является сфера. Приведенные характеристики следует иметь в виду при выборе конфигурации оформления, хотя, исходя из конструктивных соображений, редко можно применить благоприятную форму из числа изображенных на рис. 6.26. Из эстетических соображений размеры оформления в виде параллелепипеда часто выбирают так, чтобы размеры лицевой стороны (высота:

ширина) и глубина относились друг к другу как

Материал оформления должен обеспечивать жесткость стенок, особенно передней. Наиболее подходящий материал — деревянные доски, или фанера, тем более толстая, чем больше размеры оформления. Так, например, для оформления объемом можно использовать доску или фанеру толщиной Для оформления объемом следует делать стенки толщиной до Переднюю панель оформления, на которой крепятся головки громкоговорителей, во всех случаях желательно брать не тоньше Кроме дерева и фанеры, широко применяют пластмассу.

КОРПУС С ЛАБИРИНТОМ

Для того чтобы избежать акустического «короткого замыкания», в свое время было предложено акустическое оформление с лабиринтом. Один из возможных вариантов его конструкции ясен из рис. 6.27. Изображенная акустическая система состоит из корпуса, на передней панели которого укреплена головка. Задняя сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок зигзагообразный звукопровод — лабиринт. Второй конец лабиринта заканчивается выходным отверстием на одной из стенок корпуса. Поперечное сечение лабиринта — обычно прямоугольное или круглое. Площадь этого сечения делается примерно равной площади диффузора. Выпрямленная длина лабиринта должна быть равной примерно половине длины волны на низкой граничной частоте акустической системы, благодаря чему излучения из выходного отверстия лабиринта будут совпадать по фазе с излучением передней стороны диффузора. Так, если акустическая система должна воспроизводить звук с 50 Гц (длина волны половина длины волны то желательно, чтобы выпрямленная длина лабиринта равнялась также Конечно, если лабиринт будет иметь больше колен, то конструктивная глубина корпуса акустической системы будет соответственно меньше. Внутренние стенки лабиринта желательно покрывать звукопоглощающим материалом, например слабо набитыми и простеганными ватными матами. Однако конструкции акустических систем с лабиринтом являются довольно громоздкими вследствие чего редко применяются, несмотря на то, что от них можно получить неплохие результаты.

Рис. 6.27. Устройство акустической системы с лабиринтом

ЗАКРЫТЫЙ КОРПУС

Очень большое распространение в последние годы приобрели закрытые системы. Преимущество их в том, что Задняя поверхность диффузора не излучает, и, таким образом, полностью отсутствует акустическое «короткое замыкание». Но закрытые системы имеют другой недостаток. Он заключается в том, что при колебаниях диффузора он должен превозмогать дополнительную упругость воздуха в объеме ящика. Наличие этой дополнительной упругости приводит к тому, что повышается раезонансная частота подвижной системы громкоговорителя, в результате чего ухудшается воспроизведение частот, лежащих ниже этой частоты. Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерной высокой, применяют головки громкоговорителей с тяжелой подвижной системой, что позволяет снизить резонанс, как это следует из формулы

резонансная частота системы; гибкость закрепления подвижной системы; с — гибкость воздуха в закрытом объеме оформления; масса подвижной системы; эквивалентный объем; резонансная частота головки; -объем оформления.

Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы влечет за собой понижение чувствительности акустической системы в целом. Особенно небольшой является чувствительность у так называемых малогабаритных акустических систем (MAC), упругость объема воздуха внутри оформления которых существенно больше, чем упругость закрепления подвижной системы. Стандартное звуковое давление для них определяется формулой где резонансная частота подвижной системы головки, установленной в закрытое оформление объемом добротность системы на этой частоте. Не рекомендуется выбирать добротность выше так как подвижная система получается «раздемпфированной». Это значит, что при ее возбуждении, т. е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, она помимо того, чтобы колебаться в такт с этим напряжением, будет колебаться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте.

Рис. 6.28. Зависимость неравномерности частотной характеристики акустической системы закрытого типа от ее добротности

Для слушателя это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота низов». Таким образом, будут иметь место своеобразные искажения, носящие название переходных. Эти искажения еще плохо слышны, пока добротность не превышает единицы.

Необходимо отметить, что чем меньше добротность, тем больше спад частотной характеристики на резонансной частоте. Так, при добротности 0,707 он составляет а при добротности 0,5 он составляет уже (рис. 6.28). Естественно, что такой спад характеристики во избежание ухудшения воспроизведения низких частот необходимо корректировать в усилителе низкой частоты. При наличии же такой коррекции система с уменьшенной добротностью дает существенно лучшее качество звучания.

Конструктивно закрытые системы надо выполнять так, чтобы отсутствовали какие-либо щели и отверстия, наличие которых сразу же может превратить закрытую систему в открытую. Что касается установки головок громкоговорителей и выбора материалов и толщины стенок, то тут должны соблюдаться те же требования, какие были перечислены в случае открытых систем. Размеры оформления рекомендуется брать возможно больше, однако нет смысла делать объем его существенно больше величины, определяемой формулой

где резонансная частота подвижной системы головки громкоговорителя без оформления; масса подвижной системы в площадь диффузора,

Если объем оформления будет больше, то это скажется лишь незначительно на снижении резонансной частоты акустической системы в оформлении выбранного объема. Что касается минимально допустимого внутреннего объема, то он выбирается исходя из того, чтобы добротность акустической системы не превысила допустимой величины добротности из-за повышения резонансной частоты. Добротность акустической системы определяется через добротность головки как Отсюда минимально допустимый внутренний объем закрытого оформления

Пример. Пусть надо найти минимальный объем закрытого оформления для головки громкоговорителя с резонансной частотой 40 Гц, добротностью 0,5 и эквивалентным объемом при допустимой максимальной добротности акустической системы При этом резонансная частота системы Гц. Спад характеристики

(см. рис. 6.28) на этой частоте будет Естественно, может случиться, - что при таком объеме оформления получающаяся резонансная частота будет слишком высокой. Тогда нужно увеличивать объем до получения нужного значения резонансной частоты, Для того чтобы уменьшить резонансные явления внутри оформления, можно рекомендовать обивку его звукопоглощающим материалом, Наиболее доступным материалом является хлопчатобумажная вата., которую следует равномерно распределить по внутреннему объему оформления из расчета примерно на внутреннего объема. Если материал (вата) располагается только на задней стенке ящика с внутренней стороны, то достаточно применять его на внутреннего объема. Чтобы предохранить подвижную систему от попадания в нее волокон ваты, рекомендуется головку перед ее установкой заключить в хол, например из бязи;

КОРПУС С ФАЗОИНВЕРТОРОМ

Стремление получить достаточно хорошее воспроизведение низких частот при умеренном объеме акустического оформления довольно хорошо достигается в так называемых фазоинверсных системах (зарубежное название басрефлекс). Их конструкция достаточно проста. В корпусе закрытой системы делается щель или отверстие. В последнее может быть вставлена трубка (рис. 6.29, а). На рис. 6.29, б приведена аналоговая электрическая схема фазоинвертора. На ней масса, гибкость и активное сопротивление подвижной системы головки громкоговорителя; гибкость воздуха внутри корпуса системы; масса и активное сопротивление (в том числе сопротивление излучения) щели, отверстия или трубки фазоинвертора.

Упругость объема воздуха в оформлении резонирует на какой-то частоте с массой воздуха в отверстии или трубке. Эта частота называется резонансной частотой фазоинвертора. Таким образом, акустическая система в целом становится состоящей как бы из двух резонансных систем подвижной системы громкоговорителя и оформления с отверстием. При этом подвижная система громкоговорителя ведет себя как электрический последовательный резонансный контур, а фазоинвертора — как параллельный. При правильно Выбранном соотношении резонансных частот этих систем воспроизведение низких частот значительно улучшается по сравнению с закрытыми и открытыми акустическими системами с таким же объемом оформления, Это объясняется тем, что на частотах выше резонансной частоты фазоинвертора скорость колебаний частот в отверстии (или трубке) имеет более благоприятный сдвиг по фазе относительно скорости колебаний тыльной стороны диффузора головки громкоговорителя, чем в случае открытой системы, когда от передней и задней сторон ее приходит колебания, сдвинутые по фазе на 180° относительно друг друга.

Рис. .6.29. Акустическая система с фазоинвертором: а — устройство; б - исходная и примененная аналоговые электрические схемы

Несмотря на очевидные преимущества акустических систем с фазоинвертором, очень часто такие системы, изготовленные даже опытными людьми, не дают ожидаемых от них результатов. Причина этого в том, что для получения необходимого эффекта фазоинвертор должен быть правильно рассчитан и настроен. Для правильного выбора соотношений параметров фазоинвертора можно пользоваться рис. 6.30. На нем нанесены кривые отношения резонансной частоты фазоинвертора к резонансной частоте головки громкоговорителя кривая добротности головки громкоговорителя на резонансной частоте и кривая отношения частоты на которой получается спад к низким частотам частотной характеристики к резонансной частоте громкоговорителя Все эти величины даны в зависимости от отношения эквивалентного объема головки громкоговорителя к объему оформления.

Пример. Пусть дан громкоговоритель с эквивалентным объемом резонансной частотой 40 Гц и добротностью 0,375. Восстанавливаем перпендикуляр из точки на оси ординат (слева) с отметкой 0,375; этой точке соответствует абсцисса Отсюда объем оформления По кривым аналогично отсчитываем (по правой шкале ординат)

Рис. 6.30. Кривые расчета фазоинверторов

Таким образом, спад частотной характеристики на 3 дБ будет на частоте на 40 Гц. Резонансная частота фазоинвертора будет также 40 Гц (в данном частном случае). Сделаем фазоинвертор с трубкой. Максимальное значение диаметра трубки ограничивается тем, что определенная по формуле ее длина должна быть не больше 1/12 длины волны на резонансной частоте. Кроме того, трубка своим другим концом не должна упираться в стенку, противоположную той, в кохоррй она укреплена. Этот конец должен отстоять от стенки, не менее чем на 4 см. Трубка (если она применяется) конструктивно может быть выполнена проще всего из картона или прессшпана, навернутого на клею на какой-то круглый стержень в несколько слоев. Можно сделать трубку и квадратной так, чтобы площадь квадрата равнялась площади круга выбранного диаметра. В этом случае ее можно собрать из толстой фанеры также на клею и врезать в оформление.

Размеры трубки определяются по формуле

где, помимо введенных выше обозначений, диаметр отверстия или трубки; длина трубки (или толщина стенки в случае отверстия).

При расчете по этой формуле нельзя забывать, что все величины следует подставлять в единицах одних и тех же систем. Например, все в линейных, квадратных, кубических метрах или сантиметрах, объем соответственно в кубических метрах или кубических сантиметрах, скорость звука в метрах в секунду или сантиметрах в секунду. Как видно из формулы, диаметр трубки (или отверстия) и ее длина могут находиться в разных соотношениях, удовлетворяя при этом написанной формуле. Если делается не трубка, а отверстие, то рекомендуется делать его диаметр возможно больше и никак не меньше половины диаметра диффузора.

Рис. 6.31. Зависимость процентного приращения площади поперечного сечения рупора на 1 см его длины

Вычислим размеры трубки. Для нашего объема и резонансной частоты 40 Гц Зададимся диаметром трубки (5 см). Тогда длина ее будет Такая длина трубки существенно меньше 1/12 длины волны на 40 Гц

РУПОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Применение рупора, нагружающего подвижную систему грловки громкоговорителя, очень сильно (в добрый десяток раз) улучшает коэффициент полезного действия последней и таким образом дает возможность получить достаточную величину звукового давления и, следовательно, громкость при сравнительно небольшой мощности усилителя. Формой рупора, обеспечивающей наилучшее воспроизведение низких частот, является так называемая экспоненциальная. При этой форме поперечное сечение рупора увеличивается на одинаковое процентное значение через каждую единицу его осевой длины. Это процентное приращение определяет нижнюю граничную частоту рупора. На рис. 6.31 представлена зависимость процентного приращения поперечного сечения на 1 см осевой длины от нижней граничной частоты. Так, например, чтобы получить нижнюю граничную частоту 60 Гц, площадь поперечного сечения рупора Должна увеличиваться на через каждый сантиметр его осевой длины. Эту зависимость можно представить и в виде формулы где k — приращение площади поперечного сечения в процентах. Для процентных приращений меньших следовательно, для граничных частот, меньших 500 Гц, формула может быть представлена в очень простом виде: Если рупор делается круглого или квадратного сечения, то сторона квадрата или диаметр круга должны увеличиваться на каждый сантиметр длины рупора на процентов. Если же он делается прямоугольного сечения с постоянной высотой, то ширина сечения должна увеличиваться на на каждый сантиметр длины рупора.

Однако выдержать необходимое значение процентного увеличения сечения еще недостаточно для хорошего воспроизведения низких частот. Нужно еще иметь достаточное выходное отверстие рупора — устья. Его дцаметр (или диаметр равновеликого сечения устья круга) должен быть не менее Отсюда для нижней граничной частоты 100 Гц, для которой длина волны составляет диаметр устья должен составлять около 110 см. Для более низких граничных частот размеры устья рупора будут еще больше. Кроме того, рупорный громкоговоритель, хорошо воспроизводя низкие частоты (выше граничной частоты), плохо воспроизводит высшие; в связи с чем рупорный громкоговоритель для воспроизведения низших частот, приходится дополнять специальным громкоговорителем для воспроизведения высших частот.

Применение рупорных оформлений в помещениях ограничено хотя бы потому, что разместить их в обычном помещении затруднительно. В случае же если такая возможность имеется, то расчет рупора следует начинать, задавшись размерами устья по выбранной нижней граничной частоте, уменьшая сечение на к на каждый сантиметр осевой длины до тех пор, пока не приходят к сечению, равному площади диффузора или диафрагмы. Но при этом для того чтобы произвести сопряжение головки громкоговорителя с рупором, последний должен иметь сечение той же формы» что и диффузор или диафрагма, т. е. круглое или эллиптическое. Если же по какой-либо причине сечение рупора делают другой формы, то его сечение в узкой части — горле делают меньшим поверхности диффузора или диафрагмы и сопрягают с последним с помощью камеры.

Неоднократно предлагались конструкции, в которых стенками рупора являлись бы стены помещения. Такими конструкциями являются, например, громкоговорители, устанавливаемые в угол комнаты так, что между стенками оформления и стенками помещения образуется звукопровод расширяющегося сечения, играющий роль рупора.

Насколько спорным является применение рупорного оформления для воспроизведения низких частот, настолько же оправданным является его использование в громкоговорителях, служащих для воспроизведения средних и высоких частот, что имеет место в многочисленных конструкциях некоторых зарубежных фирм. Особенно хорошие результаты дает применение рупоров с сильно демпфированными стенками. Демпфирование производится, например, незасыхающим компаундом, заливаемым между двойными стенками рупора, изготовляемыми в этом случае из листового тонкого материала. Вполне оправдано также применение рупорных громкоговорителей для озвучения открытых пространств.