4.11. РУПОРНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

Частотная характеристика и кпд громкоговорителя

Использование рупорной антенны для громкоговорителей основано на свойстве входного акустического сопротивления бесконечного экспоненциального рупора — независимости активной составляющей этого сопротивления от частоты в области частот выше критической (см. параграф 4.3).

Для получения частотнонезависимой чувствительности громкоговорителя с такой антенной следует, согласно (4.85), добиваться, чтобы механическое сопротивление подвижной системы было бы тоже частотнонезависимым. Это достигается в основном тем, что основные два резонанса механико-акустической системы располагают в диапазоне рабочих частот громкоговорителя и затухание в системе делают возможно большим. Для того, чтобы затухание не вызывало бесполезной затраты механической или акустической энергии и тем самым не снижало кпд громкоговорителя, систему конструируют так, что затухание ее обусловливается полезным сопротивлением излучения. Так как волновое сопротивление воздушной среды невелико, то для получения большой величины приведенного к механической системе нолезного сопротивления излучения прибегают к акустической трансформации входного сопротивления с помощью так называемой предрупорной камеры.

На рис. 4.28 изображена головка рупорного громкоговорителя с подвижной системой и горлом рупора. Площадь диафрагмы значительно больше площади горла рупора. Акустическое сопротивление входа рупора, в соответствии со сказанным в параграфе 4.5, пересчитывается к механическому, действующему со стороны предрупорной камеры на диафрагму, по формуле:

Благодаря сжатию (расширению) воздуха в предрупорной камере объемная скорость в горле рупора несколько меньше

объемной скорости воздуха, вытесняемого диафрагмой. Камера играет роль шунтирующей акустической гибкости. Полная эквивалентная схема механико-акустической системы рупорного громкоговорителя изображена на рис. 4.37а. При замене трансформатора с нагрузкой Зруп, приведенной к первичной цепи, нагрузкой схема упрощается, как изображено на рис. 4.37б.

Рис. 4.37. Эквивалентные схемы механико-акустической системы рупорного Электродинаического громкоговорителя: а — полная схема; б - приведение сопротивления рупора к диафрагме; в — схема для области низких частот; г - схема для области резонанса диафрагмы, д - схема для области высоких частот

В области низких частот можно пренебречь сопротивлением массы катушки и проводимостью гибкости предрупорной камеры. Тогда схема принимает вид, изображенный на рис. 4.37в. Модуль механического сопротивления этой цепи:

На частоте, близкой к резонансу, обусловленному гибкостью подвеса и массой катушки, реактивные сопротивления этих элементов компенсируются, а проводимость гибкости влияет еще незначительно, так как гибкость мала. Поэтому искомый модуль сопротивления близок к величине (рис. 4.37г). На высоких частотах сопротивлением гибкости подвеса можно пренебречь, но действием пренебрегать уже нельзя. Модуль механического сопротивления можно определить, исходя из схемы рис. 4.37д:

Согласно растет с увеличением частоты. Однако рост будет сравнительно медленным, пока выражение, стоящее в числителе в квадратных скобках под радикалом, близко к нулю. При частоте выражение во вторых скобках (4.89) обращается в нуль, и при дальнейшем увеличении частоты резко возрастает. Поэтому следует сколь возможно уменьшить и тем самым повысить частоту, на которой начинается сильное возрастание Это равносильно тому, что резонанс

между должен лежать на возможно более высокой частоте, так что должна быть много больше частоты резонанса подвижной системы

Для более точного анализа свойств рупорного говорителя, пользуясь общей схемой рис. 4.37б, находят общий вид механического сопротивления и с помощью ф-лы (3.71) - зависимость кпд рупорного громкоговорителя от частоты:

где активное электрическое сопротивление провода подвижной катушки.

Подставляя где удельное сопротивление провода подвижной катушки, — длина провода катушки, V — объем этого провода, получим

Исследования этого выражения показывают, что при при т. е.

Так как мы уже установили, что следует делать то на высоких частотах в выражении (4.90) можно пренебречь членами и тогда на частоте

Из сравнения выражений (4.91) и (4.92) видно, что тем больше, чем меньше но наоборот, растет с увеличением Это иллюстрируется рис. 4.38. Громкоговоритель, у которого приведенное сопротивление обладает меньшим кпд, но зато более равномерной частотной характеристикой. Таким образом, увеличивая коэффициент трансформации можно улучшить частотную характеристику громкоговорителя ценой уменьшения его кпд.

Рис. 4.38. Влияние сопротивления нагрузки на частотную характеристику кпд рупорного громкоговорителя

Предел улучшения частотной характеристики на высоких частотах ставится размером предрупорнон камеры и диафрагмы. Если радиус диафрагмы становится близким к полуволне излучаемого звука, то звуковое давление, создаваемое периферийной частью поверхности диафрагмы, будет доходить до центральной ее части с запозданием по фазе на полпериода. В результате в

горле рупора возникает интерференция волн, приходящих из центра и с периферии диафрагмы, излучение на высоких частотах падает. Для повышения этого предела на высоких частотах применяют несколько каналов, отводящих звуковые волны от диафрагмы к рупору, как показано схематически на рис. 4.39.

Рис. 4.39 Уменьшение интерференции (волн в предрупорной камере на высоких частотах

Предел передачи низких частот головкой рупорного громкоговорителя ставится возрастанием амплитуд колебаний диафрагмы с понижением частоты. При заданной мощности и независимости от частоты механического сопротивления системы амплитуда скорости колебаний диафрагмы также не должна зависеть от частоты, а амплитуда смещения ее будет обратно пропорциональна частоте. Поэтому для передачи низких частот требуется значительное расстояние между диафрагмой и крышкой предрупорной камеры. Увеличивать это расстояние нельзя, так как при этом растет гибкость и ухудшается передача высоких частот. Таким образом, имеется некоторый предел ширины передаваемого диапазона частот, определяемый конструктивными возможностями громкоговорителя.