6.6. ВКЛЮЧЕНИЕ ГОЛОВОК ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ В АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Задачей правильного включения головок громкоговорителей является обеспечение того, чтобы на каждую из них поступало напряжение только тех частот, которые она должна воспроизводить. Достигается это путем включения головок громкоговорителей через фильтры, которые носят название разделительных Их рассчитывают на определенную частоту разделения, за пределами которой фильтр обеспечивает выбранную величину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Крутизна затухания рездел и тельного фильтра зависит от схемы его построения. Простейший фильтр, так называемый фильтр первого порядка, состоит из одного реактивного элемента — емкости или индуктивности и обеспечивает затухание Вдвое большее затухание обеспечивает разделительный фильтр второго порядка, содержащий по два реактивных элемента в цепи. Затухание обеспечивает фильтр третьего порядка, содержащий по три реактивных элемента. Фильтры более высоких порядков для акустических систем, как правило не применяются, что можно объяснить возникающими трудностями реализации точных значений элементов таких фильтров, с одной стороны, и отсутствием необходимости получения более высоких значений крутизны затухания — с другой.

Разделительные фильтры рассчитывают, исходя из вполне определенного значения нагрузки, которой в данном случае является входное электрическое сопротивление головки громкоговорителя. Из рис. 6.1 видно, что модуль электрического сопротивления любой головки громкоговорителя зависит от частоты и потому разделительный фильтр, будучи нагруженным на головку, сможет обеспечить расчетное затухание, строго говоря, лишь в одной точке, соответствующей номинальному входному сопротивлению данной головки громкоговорителя, которое учитывалось при расчете фильтра на Рис- 6.1). Для более высоких частот затухание будет уменьшаться по сравнению с расчетным вследствие увеличения модуля электрического сопротивления. Это обстоятельство особенно нежелательно при использовании фильтров первого и второго порядков из-за малой крутизны среза. С целью компенсации изменения модуля электрического сопротивления головки громкоговорителя при включении ее через разделительный фильтр применяют компенсирующие RC-цепи (см. рис. 6.32, а), включаемые параллельно головке. При этом R можно брать равным номинальному значению входного сопротивления соответствующей головки, а емкость включенного последовательно с резистором конденсатора рассчитывают по формуле

где номинальное электрическое сопротивление головки громкоговорителя; — частота, на которой модуль электрического сопротивления увеличивается в 1,41 раз по сравнению с номинальным. Частоту следует выбирать вправо от При подстановке в формулу значения частоты в герцах и сопротивления в омах, получаем значение емкости в фарадах (

-В общем случае в акустических системах применяют головки громкоговорителей с различными номинальными сопротивлениями и разной характеристической чувствительностью, а потому большинство акустических систем помимо элементов фильтра и компенсирующих RC-цепей содержат также и делители, призванные выравнивать уровень звукового давления среднечастотной и высокочастотной головок громкоговорителей по отношению к низкочастотной головке. Низкочастотная головка определяет уровень

характеристической чувствительности акустической системы. Делитель для выравнивания чувствительности головок представляет собой два резистора, включаемых непосредственно перед соответствующей головкой громкоговорителя; после разделительного фильтра один резистор включен последовательно с головкой, а другой — параллельно ей (см. рис. 6.32, а). В качестве резисторов обычно применяют проволочные сопротивления. Для их расчета достаточно знать номинальное электрическое сопротивление соответствующей головки громкоговорителя и требуемое затухание делителя, которым является разность (в дБ) уровня характеристической чувствительности данной головки громкоговорителя по отношению к низкочастотной головке.

Рис. 6.32. Схемы разделительных фильтров (а) и коэффициенты расчета элементов для фильтров второго (б) и третьего (в) порядков

При этом следует учитывать, что уровень характеристической чувствительности низкочастотной головки, включенной через разделительный фильтр нижних частот всегда оказывается на 1 ... 2 дБ ниже по сравнению с указанным в паспорте на головку громкоговорителя за счет потерь на активном сопротивлений обмоточного провода катушек индуктивности, включенных последовательно с низкочастотной головкой. Эти потери необходимо сводить к минимуму, применяя для изготовления кадушек индуктивности, включаемых последовательно с головками» обмоточный провод большого сечения и наматывая, их на ферритовые сердечники, В качестве ! сердечников можно применять -образные ферритовые, сердечники от выходных трансформаторов строчной развертки телевизионных приемников. Магнитопровод сердечников следует оставлять разомкнутым, т. е. для одной катушки надо использовать только одну -образную часть трансформатора. Чувствительность всех остальных головок громкоговорителей, включенных через разделительной фильтр» в акустической системе практически не уменьшается, и ее можно принимать такой, как указано в паспортах на соответствующие головки, Расчет сопротивлений резисторов делителя можно выполнять по формулам:

где - номинальное электрическое сопротивление соответствующей головки громкоговорителя, К — коэффициент, обратный величине требуемого затухания делителя: где затухание, выраженное в абсолютных единицах. Приведем значение К для наиболее часто встречающихся значений затухания: и т. д.

Важным параметром любой акустической системы является правильный выбор частоты разделения. Она зависит как параметров применяемых головок громкоговорителей, так и от свойств Слуха. Существует мнение, что головки громкоговорителей в акустической системе должны работать в пределах области поршневого действия диффузора. Однако при таком подходе акустическая система должна будет иметь много частот разделения (и соответственно головой громкоговорителей), что значительно повысит стоимости такой акустической системы. Обычно акустические системы имеют две, три и вначйтельно реже четыре головки громкоговорителей и соответствующее число полос, одну» две или три частоты разделения Первую частоту разделения еле дует выбирать в пределах 150 1500 Гц. Низкую частоуу выбирают обычно акустических системах имеющих отдельный (суммарный для обоих стереофонических каналов) низкочастотный блок, к которому подключаются отдельные средне- высокочастотные излучатели левого и правого каналов. Такое конструктивное решение ддовбдда размещать громоздкий никочаедтшй блок в любом месте

помещения, а зона прбслушнвання обслуживается сравнительно компактными средне-вусокочастотными боксами. Здесь выбор низкой частоты разделения Гц) необходим для исключения локализации источника низких частот. В случае традиционного построения акустической системы, когда все головки громкоговорителей конструктивно объединены в каждой акустической системе, первую частоту разделения выбирают более высокой, чтобы максимально использовать энергетические возможности и излучательную способность низкочастотной головки. Однако нельзя при этом превращать низкочастотную головку в широкополосную, имеющую, как правило, высокий уровень интермодуляционных и переходных искажений, к которым чувствительность слухового восприятия резко увеличивается в области средних частот. К средним частотам принято относить диапазон частот Гц — это, конечно, достаточно, условное деление. Во всяком случае, как было указано, частоту разделения выше 1500 Гц выбирать не следует ни в двухполосных, ни в трехполосных акустических системах. Одна из лучших по качеству звучания акустических систем английской фирмы «Тайной» (см. рис. 6.15, г) включает, помимо разделительного фильтра первого порядка, одну двухполосную головку громкоговорителя и имеет регулируемую частоту разделения в пределах Гц. Столь высокую частоту разделения можно применять лишь при наличии высококачественных низкочастотных головок громкоговорителей. Вторая частота разделения должна быть выше диапазона средних частот, т. е. 5000 Гц и выше. Эту частоту, однако, не следует выбирать более Гц, поскольку среднечастотная головка на этих частотах приобретает слишком узкую характеристику направленности.

Рассмотрим вопрос выбора головок громкоговорителей для акустических систем. Вначале выбирают низкочастотную головку, так как такие ее параметры, как частота основного резонанса, эквивалентный объем, характеристическая чувствительность, полная добротность и максимальная шумовая мощность определяют основные электрические и конструктивные параметры акустической системы. Затем выбирают среднечастотную головку громкоговорителя, руководствуясь ее частотной характеристикой и энергетическими возможностями (может ли она без перегрузки работать с выбранной низкочастотной головкой). Аналогичным образом выбирают и высокочастотную головку.

Желательно, чтобы головки громкоговорителей имели минимальную неравномерность частотной характеристики по звуковому давлению в выбранном для каждой из них диапазоне рабочих частот. Помимо этого, частота основного резонанса высокочастотной головки должна быть по крайней мере на октаву ниже ее низшей рабочей частоты, совпадающей со второй частотой разделения фильтра в трехполосной акустической системе. Частота основного резонанса среднечастотной головки также должна быть на октаву ниже ее низшей рабочей частоты, совпадающей с первой частотой разделения. Здесь необходимо учитывать следующую особенность. Среднечастотная головка громкоговорителя в любой акустиче- ской системе работает в автономном акустическом оформлении, как правило, закрытого типа (боксе), монтируемом внутри корпуса акустической системы. Этот бокс заполняется внутри звукопоглощающим материалом для исключения стоячих волн, способных сильно ухудшить частотную характеристику. Выбирать объем бокса для среднечастотной головки громкоговорителя можно, руководствуясь формулами, приведенными для акустического оформления закрытого типа; с их помощью можно вычислить и частоту основного резонанса. Необхрдимо заметить, что при проектировании акустической системы надо учитывать объем воздуха, вытесняемого как среднечастотным боксом и деталями фильтра, так и низкочастотной головкой громкоговорителя и шахтой фазоинвертора. На эту величину следует увеличить расчетный объем акустической системы.

Теперь об энергетических возможностях применения головок громкоговорителей в акустической системе. Поскольку разделительный фильтр разделяет входное напряжение вещательного сигнала, поступающего на вход акустической системы, между несколькими головками, имеющими различные полосы рабочих частот, то совершенно очевидно, на головки будет поступать разная электрическая мощность. Вещательный сигнал (музыка, речь), изменяясь по случайному закону, имеет специфический характер распределения мощности по спектру частот. Причем характер зависимости определяется в известной степени формой музыкального произведения. По этим причинам методом статистических исследований была получена кривая распределения мощности вещательного сигнала, которую реализует специально разработанный фильтр.

Применительно к задаче определения мощности вещательного сигнала, поступающего на головки громкоговорителей в акустической системе в зависимости от частоты разделения, удобно характеристику фильтра представить в виде таблицы, выразив уровень мощности в процентах. В табл. 6.11 приведено выраженное в процентах распределение мощности вещательного сигнала в зависимости от частоты разделения для двухполосного включения головок в акустической системе. Пользоваться таблицей нужно следующим образом. Находим требуемую частоту разделения, например 500 Гц, и видим, что при этом на низкочастотную головку приходится мощности сигнала, а на средне-высокочастотную — Если проектируется трехполосная акустическая система и вторая частота разделения выбрана равной 5000 Гц, то мощность, поступающая на среднечастотную головку, должна быть уменьшена на эта часть мощности будет поступать на высокочастотную головку.

Таблица 6.11. (см. скан) Отношение мощности вещательного сигнала в канале к общей мощности громкоговорителя в зависимости от частоты разделения (В соответствии с Публикацией

Другими словами, максимальная шумовая мощность среднечастотной головки должна составлять не менее а мощность высокочастотной головки максимальной шумовой мощности низкочастотной головки громкоговорителя. Максимальная шумовая мощность всей акустической системы при выбранных частотах разделения будет равна максимальной шумовой мощности низкочастотной головки.

Если у головок громкоговорителей в акустической системе одинаковые уровни характеристической чувствительности и одинаковые номинальные электрические сопротивления, то достаточно сравнить их максимальные шумовые мощности, указанные в паспортах, с требуемой, определенной по табл. 6.11; последняя должна быть равна или меньше паспортной. Однако чаще всего у головок громкоговорителей в акустической системе не только разные характеристические чувствительности, но и различные номинальные электрические сопротивления. В таких случаях необходимо провести перерасчет их параметров к уровню характеристической чувствительности и номинальному электрическому сопротивлению низкочастотной головки, поскольку она никогда не включается через делитель.

Проиллюстрируем перерасчет на примере. Предположим, что выбранная для акустической системы низкочастотная головка имеет максимальную шумовую мощность номинальное электрическое сопротивление 4 Ом и уровень характеристической чувствительности При включении через разделительный фильтр чувствительность головки понизится, как минимум, на и будет равна Предположим далее, что средне-частотная головка имеет максимальную шумовую мощность уровень характеристической чувствительности и номинальное электрическое сопротивление 8 Ом. Разница в чувствительности составляет (2,24 раза) по звуковому давлению или ( раз) по мощности. Таким образом, максимальная шумовая мощность среднечастотной головки, приведенная к чувствительности низкочастотной головки, составляет Из табл. 6.11 видно, что эту головку можно применять в качестве среднечастотной при частоте разделения, начиная от 400 Гц (50% мощности, т. е. и выше. Для расчета делителя, выравнивающего чувствительность среднечастотной головки по отношению к низкочастотной необходимо учесть, что при подключении этих головок к общему источнику, звуковое давление среднечастотной головки необходимо уменьшить на раза, т.е. на и принять его равным Поэтому делитель должен вносить дополнительное затухание

В случае, когда номинальные электрические сопротивления головок одинаковы, для расчета делителя следует брать паспортные значения уровней характеристической чувствительности головок, т. е. такое затухание должен вносить делитель. Если номинальное электрическое сопротивление окажется больше у низкочастотной головки, то для расчета затухания делителя поступают таким же образом. Примем для нашего примера электрическое сопротивление низкочастотной головки равным 16 Ом. В этом случае необходимо увеличить уровень чувствительности среднечастотной головки на 1/16/8, т. е. на и сделать его равным а затем получить затухание делителя; Для высокочастотной головки громкоговорителя расчет приведенной мощности и затухания делителя выполняют аналогичным образом.

Перейдем к расчету элементов разделительного фильтра. На рис. 6.31, а приведена схема разделительного фильтра первого порядка для двухполосной акустической системы. Элементы такого разделительного фильтра рассчиты ваются по следующим формулам: частота разделения в герцах, номинальное электрическое сопротивление соответствующей

головки громкоговорителя в омах. Значение индуктивности получаем в генри а значение емкости — в фарадах На рис. 6.31, б и в приведены схемы разделительных фильтров соответственно второго и третьего порядков и возле элементов указаны коэффициенты, на которые следует умножать индуктивности и емкости, вычисленные по приведенным формулам, для получения значений их для реализации разделительных фильтров второго или третьего порядков.

Следует указать на одну особенность построения схем разделительных фильтров. Совсем необязательно, чтобы все головки в акустической системе имели разделительные фильтры одного порядка. Например, высокочастотные головки обычно включают через фильтр третьего порядка, имеющий максимальное затухание, что обеспечивает требуемое ослабление компонентов сигнала, совпадающих с частотой резонанса, и предохраняет головку от перегрузки. Кроме того, частотные характер ристики по звуковому давлению головок громкоговорителей далеки по своему виду от прямой линии, и потому для получения желаемой частоты разделения иногда приходится применять разделительные фильтры, рассчитанные на более низкую частоту. Такую настройку акустических систем можно прово дить только в специальных условиях — в заглушённых звукомерных камерах с помощью специальной измерительной аппаратуры.

Укажем на способ конструктивной реализации цементов фильтра. Для получения заданной емкости подбирают набор неполйрных (бумажных, тонкопленочных и др.) конденсаторов на рабочее напряжение не менее 55 В. Что касается индуктивности, то ее получают путем намотки обмоточного провода на катушки. Привести рекомендации по расчету числа витков катушек, изготовленных с применением ферритовых сердечников, невозможно ввиду значительного разброса магнитных свойств феррита, а потому приведем рекомендации по изготовлению катушек без ферромагнитных сердечников. Оптимальная конструкция катушки в смысле максимума отношения ее индуктивности к активному сопротивлению получается, когда внутренний диаметр цилиндрической обмотки катушки вдвое больше ее высоты а внешний диаметр в 4 раза больше высоты и в 2 раза больше внутреннего диаметра. При этих условиях Здесь в микрогенри миллигенри), в омах. Длина провода число витков диаметр провода (без изоляции) масса провода Активное сопротивление катушки следует выбирать не более номинального электрического сопротивления головки громкоговорителя, последовательно с которой включена катушка. Полученные числа должны быть округлены, и в первую очередь диаметр обмоточного провода, до ближайшего стандартизированного.

Индуктивность изготовленной катушкй лучше все же проверить и подогнать с помощью измерительного моста.

Окончательное мнение о качестве акустической системы могут дать только результаты субъективного прослушивания качества звучания, которые пока не могут быть заменены объективно измеренными параметрами.,