Вход/Регистрация
Вход через соц. сети        
Хотите больше знать об акустике и о том, что с ней связано

Акустическое короткое замыкание в громкоговорителе и его преодоление

Возможно ли иное акустическое оформление громкоговорителя помимо широко распространенных ныне фазоинвертора либо закрытого ящика, а также более дорогих вариантов рупорных и лабиринтных громкоговорителей? В этой статье описан метод расширения полосы эффективно воспроизводимых нижних частот в корпусах открытого типа и приведены практические конструкции громкоговорителей.

В громкоговорителе при колебаниях диффузора головки электродинамического типа его фронтальная и тыльная поверхности приводят в движение воздух, создавая попеременно его сжатие и разрежение. Таким образом, когда с одной стороны диффузора давление возрастает, то с другой стороны, наоборот, уменьшается. На низких частотах, если динамическая головка не имеет акустического оформления (в свободном пространстве), из-за дифракции звуковых волн происходит процесс акустического короткого замыкания и результирующее звуковое давление в окружающем пространстве сильно ослабляется.

Для исключения этого вредного явления динамическую головку помещают в акустический экран, устраняющий компенсирующее действие противофазных колебаний сжатия-разряжения. Основные конструкции таких экранов и их особенности описаны в [1—3]. Напомним кратко эти известные варианты.

Щит, размеры которого должны быть достаточно большими и, по крайней мере, соизмеримы с длиной акустической волны на самой низкой воспроизводимой частоте. На низших частотах (десятки герц) размеры щита велики — несколько метров, что для практических конструкций неприемлемо.

Ящик с открытой задней стенкой представляет собой «свернутый» щит. Такое акустическое оформление громкоговорителя широко применялось в 30—60-х годах минувшего столетия, когда требования к полосе воспроизводимых звуковых колебаний были невелики.

Ящик с лабиринтом, длина которого равна половине длины волны на низких частотах [1], по конструкции и технологии изготовления неоправданно сложен и поэтому практически не распространен.

Рупор, представляющий собой расходящийся волновод, также используется для увеличения звуковой отдачи. На низких же частотах размеры рупора слишком велики.

Закрытый ящик, обычно заполненный звукопоглощающим материалом во избежание стоячих и других волн. При этом акустическая энергия, излучаемая тыльной поверхностью диффузора, рассеивается внутри ящика.

Закрытый ящик с фазоинвертором — ныне один из популярных типов акустического оформления, предложенного еще в 1930 г. Фазоинвертор представляет собой трубу или отверстие, выполненное в ящике. Фазоинвертор работает в очень узкой полосе частот, а при достаточно широком спектре сигналов низких частот происходит затягивание переходных процессов в виде «окрашивания» звуков басового регистра. Вследствие этого различные по тембру музыкальные инструменты звучат весьма сходно, т. е. Фазоинвертор фактически искажает реальные звучания. Как и в предыдущем варианте, примерно половина акустической мощности теряется в ящике. Отсутствие другого эффективного акустического оформления заставляет разработчиков акустических систем (АС) использовать это техническое решение [2, 3].

Преодоление акустического короткого замыкания в АС при создании простого и энергетически эффективного акустического оформления громкоговорителей, действующего в широкой полосе звуковых частот практически без звуковых потерь, является в настоящее время важной и нерешенной проблемой [2, 4].

Описываемые в статье технические решения, исключающие акустическое короткое замыкание, позволяют использовать озвучиваемое помещение для повышения эффективности работы АС на низких частотах. При этом снижаются требования к конструкции акустического оформления ввиду исключения в ящике стоячих волн, поскольку звуковая энергия тыльного излучения головки выходит из ящика в пространство, озвучивая его. В этих конструкциях уменьшается или вовсе исчезает влияние упругости воздуха, ограниченного объемом ящика, и возрастание резонансной частоты громкоговорителя.

Звуковая энергия в твердых материалах распространяется в виде потока, причем ортогональное по отношению к оси излучения распространение намного меньше (до -30 дБ), чем по оси излучения [5]. В воздушной среде тоже действуют принципы векторного сложения колебательной скорости вне зависимости от частоты и фазы суммируемых потоков звуковых колебаний. Из теории колебаний [6] известно также, что два гармонических колебания, имеющих одинаковую частоту и произвольную фазу между собой и распространяющихся взаимно перпендикулярно, не взаимодействуют между собой. В ближней зоне излучателей оказываются важными соотношения колебательной скорости и скорости распространения, а также длины волны а и диаметра излучателя d (отверстия излучения). Разделение звуковых потоков прямого и обратного излучения головки и перевод их в ортогональные относительно друг друга потоки позволяет устранить акустическое короткое замыкание излучателя.

Волновод

Конструктивными мерами — с помощью «волновода» — возможно развернуть звуковой поток, создаваемый тыльной поверхностью диффузора громкоговорителя, на 90 град. так, как это изображено на рис. 1 (вектор В). В окрестностях точки О колебательные скорости тангенциального потока от волновода и потока фронтального излучения головки (вектор А) складываются. Если потоки и колебательные скорости равны, при вычислении равнодействующей R получаем суммарное акустическое давление в 1,41 раза больше каждой из составляющих. Таким образом, в ближнем от излучателя пространстве акустическое давление P возрастает на 3 дБ. Отдаваемая АС акустическая мощность в помещении[7] удвоится, поэтому для получения одинаковой звуковой мощности для такой АС потребуется УМЗЧ вдвое меньшей мощности:

Pа = р2V/Tс*10-5, Вт (при Rr = 3 м),

где V — объем помещения, Тс — среднее время оптимальной реверберации, Rr — радиус гулкости.

Как видно из формулы, величина акустической мощности Ра заметно возрастает, если отказаться от известных конструктивных решений акустического оформления АС. С учетом влияния звукопоглощающего материала, которым обычно наполняют закрытый ящик громкоговорителя для поглощения энергии, излучаемой тыльной поверхностью диффузора, реальный выигрыш может оказаться еще больше.

Корпус

Следуя изложенному принципу исключения акустического короткого замыкания, автором были разработаны конструкции акустического оформления, один из вариантов которого приведен на рис. 2. В корпусе с глухой задней стенкой 1 нижняя часть передней панели 2 («ломаная дека») наклонена под углом к вертикали, образуя с верхней частью передней панели «волновод» для звуковых волн, создаваемых с тыльной стороны головки громкоговорителя. При расчете конструкции важно выполнить условие, чтобы площадь поперечного сечения волновода, по которому распространяется звуковой поток из ящика, была не менее площади тыльной поверхности диффузора. В противном случае воспроизведение самых низких частот будет ослаблено вследствие остаточной упругости воздуха в ящике. Измерения, проведенные в безэховой камере Акустического института РАН, подтвердили рассмотренные предположения, что и позволяет сделать излагаемые в этой статье рекомендации.

Звук, выходящий из волновода, обеднен в области высоких частот, и он на слух кажется более бархатистым, чем звук фронтального потока. Это отнюдь не ухудшает музыкальности звучания из-за иного направления распространения развернутого потока: помещение также участвует в формировании звукового образа, делая его объемным. Даже если помещение содержит много поглотителей звука, например, ковровых изделий и мягкой мебели, естественность звука и его объемность не теряются.

На основе предложенного метода автором была разработана и изготовлена стереофоническая АС «Цунами". В каждом из громкоговорителей системы использованы низкочастотная 15-дюймовая головка L-3712 (из Германии), имеющая максимальную мощность 100 Вт, и две высокочастотные головки 6ГДВ-4. Звуковой диапазон разделен на две полосы — 20...5000 Гц и 5000...25000 Гц. Измеренная эффективность в режиме излучения НЧ оказалась равной 110 дБ/Вт•м при отличном качестве воспроизведения звука. С помощью этой АС при средней электрической мощности 5 Вт на каждый канал озвучивался зал, где находилось 600 человек.

Результаты экспериментальных исследований образцов громкоговорителей и акустических систем были изложены автором в докладе на Нижегородской Акустической сессии [7].

Конструкция

На рис. 3 показаны еще одна конструкция громкоговорителя и векторная диаграмма распространения звуковых потоков А, В и R. Звуковой поток А является фронтальным, поток В — тыльным. Вектор R является равнодействующим от сложения векторов А и В. На этом рисунке следующие обозначения элементов: 1 — звуковая головка; 2 — корпус; 3 — волновод для выхода звуковой энергии тыльного излучения; 4 — выходное отверстие волновода; 5 — стенка волновода; 6 — передняя стенка волновода. Такой громкоговоритель обеспечивает более диффузное распространение звука в пространстве. На передней стенке громкоговорителя устанавливают и высокочастотные головки.

Анализ векторных диаграмм, приведенных на рис. 1 и 3, показывает, что предложенный метод исключения акустического замыкания между потоками А и В позволяет преодолеть это вредное явление в звуковых системах с одновременным энергетическим и качественным выигрышем.

Экспериментальные работы были проведены с головками 4А-32 в большом заглушенном помещении с помощью звукового генератора ГЗ-33, вольтметра ВЗ-33, частотомера 43-32 и прецизионного измерителя шумов типа 00017 с конденсаторным микрофоном типа МКД. 

АЧХ

Для получения сравнительных параметров была исследована и обычная АС с головкой 4А-32; за прототип взят серийный громкоговоритель 35ГД-4 в закрытом корпусе. Его измеренная частотная характеристика приведена на рис. 4. В диапазоне частот 80... 12000 Гц средняя характеристическая чувствительность — около 94 дБ/Вт при неравномерности до 26 дБ. В корпусе помещен звукопоглощающий материал. Звучание этой АС не отличается высоким качеством.

АЧХ

АЧХ

На рис. 5,а приведены результаты измерений частотной характеристики громкоговорителя «Цунами» (его конструкция аналогична показанной на рис. 1) с той же головкой 4А-32. Средняя эффективность фронтального излучения возросла до 98 дБ/√Вт•м в диапазоне частот 40... 20000 Гц, неравномерность АЧХ уменьшилась до 9 дБ, полоса воспроизводимых частот расширилась. Выигрыш по электроакустическому коэффициенту полезного действия прототипа и АС «Цунами» оказался равным 6,4 раза!

Рупор

На рис. 5,б приведена АЧХ громкоговорителя по вектору В, из которой следует, что полоса излучаемых частот равна 50...6000 Гц при эффективности 96 дБ/√Вт•м и неравномерности в полосе 12 дБ. В АС 35ГД-4 и подобных ей энергия тыльного излучения головки превращается в тепло. 

Выполненные автором АС по аналогии с конструкцией на рис. 2 с использованием корпусов от ламповых телевизоров «Рубин», «Электрон» и др. показали прекрасные результаты. Использовались головки 4А-32, 6ГД-2 и др., способные хорошо воспроизводить низкие частоты. Головки с тяжелой подвижной системой автор не использовал в связи с их малой эффективностью и недостаточно широкой полосой рабочих частот. Изготовление предложенных АС, лишенных акустического замыкания, доступно в домашних условиях и представляет интерес при утилизации устаревшей аппаратуры.

Предложенный способ исключения акустического короткого замыкания в громкоговорителе позволяет значительно усовершенствовать и рупорные громкоговорители. На рис. 6 упрощенно показана конструкция рупорного громкоговорителя 1, выполненного на основе обычной (диффузорной) электродинамической головки 2. Прямое излучение звука происходит через рупор 3, а обратное излучение от головки — через симметричный волновод 4. Векторная диаграмма потоков звукового излучения в горизонтальной плоскости приведена там же.

Приведенные в статье конструкции АС, построенные на основе изложенных положений, — лишь малая часть возможного разнообразия вариантов.

Литература

  • Сапожков М. А. Электроакустика. — М.: Связь, 1978.
  • Дьяконов Б. П. Бытовая аудиотехника. — Смоленск, Русич, 1997.
  • Бурко Б. Г., Лямин П. М. Бытовые акустические системы: эксплуатация, ремонт. — Минск, «Беларусь», 1996, 350 с.
  • Олсон Г., Масса Ф. Прикладная акустика. Перевод с английского под ред. И. Г. Дрейзена и Ю. М. Сухаревского. — М.: Радиоиздат, 1938, с. 349.
  • Носов В. H. Исследование и разработка статистических методов акустического контроля горных пород. — М.: МТИ, диссертация на соискание степени кандидата технических наук, 1972, с. 157.
  • Малое H. H. Основы теории колебаний. — М.: Просвещение, 1971, с. 62.
  • Носов В. H. Проблемы электроакустики и их решения. Результаты экспериментальных исследований образцов громкоговорителей и акустических систем. — H. Новгород: Нижегородский Государственный университет. Труды Нижегородской Акустической сессии, май 2002 г.

Радио № 1 2003 г.

Комментарии 

# Misha 20.09.2006 01:22
Уважаемый автор,если я вас правильно понял,то ваша конструкция АС интересна еще и тем,
что не требует точной настройки ящика?если это так,то не могли бы вы рассказать(исхо дя из опыта)на что нужно обращать особое внимание при изготовлении АС.К примеру есть головки типа'4А-28',кот орые временно установленны в корпуса'электро ника 25АС-227'+tweet er'SONY'5w,8ом. Оправданно ли будет строить под них ящик вашей конструкции? Как они звучат под Jazz,Classica,Rock?
зы:кажется это напоминает вашу АС?

http://www.classicaudio.ru/images/articles/ger_audiovector.jpg

http://www.classicaudio.ru/static.php?type=articles_germany

Спасибо Ответить
# PaLyCH 20.09.2006 13:01
К сожалению автора я не знаю. Я взял статью из журнала 'Радио'. Поэтому по поводу звучания я ни чего не могу скзать. Хотя сам бы с удовольствием оценил на сколько хорошо данный тип звукого оформления. Лично я знаисаюсь в основном акустикой с оформлением типа фазоинвертор. А статей по рупорным и TQWT очень мало на русском языке. Если у вас етсь пару статей, то я бы с удовльствием добавил на свой сайт с ссылкой на ваш. Ответить
# Svarshik 21.09.2006 00:49
Вот несколько интересных ссылок:

http://www.vegalab.ru/index.php?option=content&task=view&id=176&Itemid=56&limit=1&limitstart=1

http://www.vegalab.ru/index2.php?option=com_content&task=view&id=174&Itemid=56&pop=1&page=0

http://audioportal.ru/acoustics/p2_articleid/25

http://www.classicaudio.ru/static.php?type=articles_leather

Еще есть статья'Пример проектирования TQWT'откуда не помню(не пью,
не курю ;-)),могу выложить если надо. Ответить
# PaLyCH 21.09.2006 13:01
Давай. Высылай. С удовольствием выложу Ответить
# Svarshik 21.09.2006 16:22
вот еще бы знать куда выкладывать.... Ответить
# PaLyCH 21.09.2006 16:56
Два варианта:
1) Могу сделать автором, и тогда сможешь сам выкладывать статьи
2) Выслать мне на почту тексты и картинки. И я сам выложу на сайт с ссылкой Ответить
# Svarshik 21.09.2006 20:01
лучше на email.высылай мне свой email,
а я тебе всякости-интересности.
сайт очень хороший,но как-то безлюдно
тут у тебя.а нельзя прямо со статей
ссылочку на форум с обсуждениями,по-
моему удобно. Ответить
# PaLyCH 21.09.2006 20:09
Для этого и коментарии я сделал для каждой статьи. ПО поводу ссылки на форум буду езе работать. Сайт у меня работате с начала июня. Еще не успел народ прижитьяс. Но не чего, приживемся. Пиши на Ответить
# Svarshik 21.09.2006 20:38
уже отправил,зацени.
а сайт интересный-так держать!(как?) Ответить
# PaLyCH 21.09.2006 20:46
ВОт как раз таких статей и не хватало. Спасибо огромное. Выложу на выходных. Ссылку гарантирую Ответить
# Eugen Komissarov 14.02.2007 03:37
Забавно. Мой опыт построения рупорных систем полностью подтверждает изложенное в статье. За последние шесть-семь лет я сделал четыре конструкции рупорных АС (бэк лоад так называемый) на разных динамиках, и во всех них применил выход рупора, перпендикулян
рный или близко к перпендикулярно у оси излучения передней стороны диффузора. Такие АС обладают наилучшим звуком. И, действительно, акустическое КЗ отсутствует, в диапазоне сложения переднего излучения с задним АЧХ получается ровной, без обычных для НЧ-рупоров "Змеек".

Благодарю автора статьи за раскрытие "тайн" подобных констукций.

Вот фото моей последней АС:
http://www.mith2.nm.ru/voronej2.jpg

С уважением, Евгений Комиссаров, Москва. Ответить
# VVF 14.02.2007 12:25
Некий гибрид фазоинвертора и рупора + поворот на 90 градусов с присущими им недостатками.
При типичном КПД динамиков около процента борьба с мощностью усилителей выглядит странно. Ответить
# алексей кислый 20.04.2013 14:02
спасибо автору.отличная вещь.реально громче обычных колонок.я собрал ее на 200 вт мощности-супер. на слух все 300 вт.хорошо подходит для открытых площадок,а вот в квартире не советую-не оцените всех прелестей этой калонки.отличны й мягкий бас. Ответить
# Денис 21.11.2014 12:27
Евгений, вы пробовали изготавливать подобные АС? есть несколько вопросов, нужна помощь. можете дать свою почту? Ответить

Добавить комментарий

Что бы вы хотели почитать?

Итоги

Радиолюбителю

Новости

  • 22 Января 2015
    Первый в мире bluetooth-граммофон
    Gramovox — bluetooth-граммофон, работающий на одной зарядке 15 часов. Устройство оснащено металлическим горном,...
  • 05 Августа 2013
    Сумасшедшие колонки
    Уникальная акустическая система Xcellon DWS-100B удивит вас танцем воды и световым шоу. Две колонки, питающиеся от USB портов,...
  • 22 Октября 2012
    Обновление сайта
    Вот в очередной раз обновили сайт. Работ было много сделано в короткий срок, так что возможны разные баги на сайте. Что...
  • 05 Марта 2011
    Парящая акустика
    Внешний вид акустики Dome, состоящей из двух сателлитов и сабфуфера, весьма привлекательный за счет геодизайна. Корпуса и...
  • 05 Марта 2011
    Акустика из переработанной бумаги
    Эко меломаны будут обожать TAU акустику за их экологический состав. Сделаны из переработанных материалов, составляющих акустической...
  • Все новости

Последние комментарии

  • Сложно выбрать акустики, черт! Подробнее...
    By Павел Сайк
  • Замечательно выглядят Подробнее...
    By Павел Сайк
  • Конечно кабель влияет ну звук! Это очевидно для те... Подробнее...
    By Alex
  • Яплакалъ, столько трудов ради шмистаря говняного Подробнее...
    By Александр
  • Добрый день. Помогите с размером трубы для настрой... Подробнее...
    By вячеслав
www.zetorus.ru Минипогрузчик МКСМ-800
zetorus.ru
Наверх