Иофе В. К., Лизунков М. В. Бытовы   акустические   системы. — М.:   Радио  и связь, 1984.

РАЗДЕЛ 9. ЗАКРЫТОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

 

Очень большое распространение в последние годы получили закрытые АС, которые до недавнего времени были единственным видом АС для высококачественного воспроизведения как в нашей стране, так и за рубежом. И только в последние годы АС с фазоинвертором (АС с ФИ) и АС с пассивным излучателем (АС с ПИ) нарушили монополию закрытых АС. Тем не менее закрытые АС и в настоящее время являются одной из наиболее распрост­раненных конструкций высококачественных АС в Западной Ев­ропе и довольно широко выпускаются в США, как это было вид­но из табл. 2.

На рис. 37 представлена типичная закрытая АС и ее электри­ческий аналог. Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыка­ние». Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении  и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной уп­ругости объема воздуха S_B может быть найдено как

, (34)

где  — показатель адиабаты; S_эфф — эффективная площадь диф­фузора головки;  V — внутренний объем корпуса оформления.

 

Эффективной площадью диффузора считают 50—60% его кон­структивной площади. Для круглого диффузора диаметром d S_эфф = 0,55S = 0,44d². Это эквивалентно тому, что эффективный диа­метр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Уп­ругость s_В суммируется с собственной упругостью подвеса по­движной системы головки s₀ и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении

, (35)

где m₀ — масса подвижной системы головки.

Как видно из (34), упругость воздушного объема внутри оформ­ления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха V_Э, имеющего упругость s₀. Отсю­да резонансная частота головки в закрытом оформлении

. (36)

Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высо­кой, иногда применяют головки с более тяжелой подвижной си­стемой, что дозволяет несколько снизить резонансную частоту го­ловки в закрытом оформлении, как это видно из (35). Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность АС, как это видно из формулы для стандартного звукового давления:

, (37)

 

где А — частотно-независимый множитель; R_г — выходное сопро­тивление усилителя (генератора); R_к — активное сопротивление звуковой катушки; а — эффективный радиус головки.

Особенно малой эффективностью обладают так называемые малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упру­гость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки. Такие системы, у ко­торых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки. Стандартное звуковое дав­ление _ст такой системы на частотах , где _ст частотно-независимо, определяется как

,

где Q₀₁ — добротность головки в закрытом оформлении.

Как следует из (37), неравномерность частотной характери­стики закрытых АС в области низких частот так же, как и откры­тых, определяется их добротностью (рис. 38). При Q₀₁<0,707 ча­стотная характеристика АС равномерно понижается с понижени­ем частоты в область низких частот и неравномерность проявля­ется как спад на резонансной частоте  по сравнению с высши­ми частотами. При 0,707<Q₀₁<l,0 частотная характеристика име­ет небольшой пик на частоте  и далее спад на резонансной ча­стоте . Неравномерность частотной характеристики при этом определяется подъемом на пике , и спадом на резонансной ча­стоте . При Q₀₁>1 неравномерность частотной характеристи­ки определяется только ликом на частоте  относительно горизон­тальной части характеристики.

Неравномерность частотной характеристики в зависимости от добротности закрытой АС приведена на рис. 39. Как следует из рисунка, минимальная неравномерность частотной характеристи­ки закрытых АС имеет место при добротности Q₀₁ = 1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия

. (38)

Исследования авторов показали, что добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8—1,0. В противном случае головка получается «раздемпфированной». Это означает, что при ее возбуждении, т. е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, головка помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет коле­баться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте. Для слушателей это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой ча­стоты как своего рода «гудение», «нечистота» низких тонов. Отметим также, что если головка помещена в закрытом ящике, ухуд­шается равномерность частотной характеристики в области сред­них и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении. Для их устранения внутренние поверхности (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия — расшире­ния воздуха в оформлении.

Без заполнения процесс сжатия — расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиаба­тический процесс сменился на изотермический. В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент  в (34), составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС. Это сни­жение в пределе (для компрессионной АС) достигает , так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В про­тивном случае резонансная частота головки  может быть най­дена как

.

Как практически определить, что изотермический процесс сжа­тия — расширения воздуха внутри оформления достигнут? Процесс будет достигнут, если при добавлении внутрь оформления новой порции рыхлого звукопоглощающего материала резонансная ча­стота закрытой АС уже не понижается. Исследования авторов по­казали, что заполнять внутренний объем оформления более, чем на 60%, нецелесообразно. Вместе с тем количество рыхлого зву­копоглощающего материала не должно быть чрезмерным, чтобы активные акустические потери в оформлении и заполнении не бы­ли значительны. Следует отметить, что степень влияния активных акустических потерь в оформлении (и заполнении) на ход ча­стотной характеристики зависит, строго говоря, не от их абсолют­ных значений, а от соотношения активных акустических потерь в оформлении и полных потерь в головке. Потери в головке — это собственные акустико-механические активные потери (r₀) на внут­реннее трение в материале головки, трение о воздух при работе, потери в виде активной составляющей сопротивления излучения и т. д., а также «вносимые» в головку потери (r_вн). Авторы реко­мендуют следующий критерий допустимости активных потерь в оформлении и заполнении:

, (39)

где r_ОФ, r_ЗАП — активные акустические потери в оформлении и в заполнении соответственно. При меньшем соотношении потерь АС должна быть переделана.

Нахождение значений активных потерь в оформлении и запол­нении, а также способы уменьшения их описаны далее.

Чрезмерные активные акустические потери могут быть в АС ори некачественном (с акустической точки зрения) выполнении корпуса оформления, креплении головки, при чрезмерном запол­нении оформления звукопоглощающим материалом, а также при чрезмерно малых    внутренних  объемов оформления  (V_Э/V>8).

В заключение для быстрого расче­та закрытых АС предлагается графи­ческий метод. По графикам на рис. 40—45 можно для заданной головки с присущими ей параметрами подобрать рациональное оформление, и наоборот, по заданному оформлению выбрать под­ходящую головку. Для конкретного рас­чета используется пара графиков из представленных на рис. 40—45. Рисунок 40, на котором представлена зависимость  от V_Э/V — общий при расчете. Из рис. 41—45 выбирается один — в зависимости от доб­ротности применяемой головки (от 0,4 до 0,8). На этих рисунках представлены семейства кривых зависимости V_Э/V от , где  — нижняя граничная частота воспроизводимого диапазона. Па­раметром системы является значение спада частотной характе­ристики (дБ) на частоте . Кроме того, на каждом графике справа нанесена дополнительная ось, по которой отложено зна­чение , с помощью которого можно определить стан­дартное звуковое давление закрытой АС на горизонтальной части характеристики [исходя из (38)] в виде ,  легко вычисляется для заданной головки, так как , V_Э  и Q — параметры головки.

Пример расчета. Пусть, например, используется головка с па­раметрами: Q = 0,4; f₀ = 30 Гц; V_Э = 100 л. Находим предваритель­но А: .

Пусть требуется подобрать для этой головки объем оформле­ния V, при котором спад частотной характеристики должен со­ставлять 6 дБ на граничной частоте АС f_гр = 40 Гц.

Выбор  оформления  проводим  следующим  образом.

По рис. 41 из точки = 40/30 = 1,33 на горизонтальной оси восстанавливаем ординату до пересечения с кривой с отметкой 6 дБ и из этой точки проводим прямую, параллельную оси абс­цисс до пересечения с осью V/V_Э. Получаем V/V_Э = 0,95. Отсюда л. Этому значению V/V_Э соответствует по правой вертикальной оси значение . Следова­тельно,  Па. По графику на рис. 40 находим отношение . Отсюда  Гц.

С помощью указанных графиков могут быть решены и дру­гие задачи. Перечислим их, не объясняя подробно, поскольку ме­тод рассуждения примерно тот же. Например, может быть най­ден спад частотной характеристики на граничной частоте f_гр для заданных головок и объема оформления, может также решаться задача подбора головки из числа имеющихся в распоряжение и т. д.

Отметим, что все сказанное справедливо, если известны точ­ные значения параметров головки f₀, V_Э, Q. Однако обычно, даже зная тип головки и значения ее параметров (табличные), невоз­можно сказать уверенно, каковы параметры данного экземпляра головки. Для решения задач в этом случае используют графики на рис. 46—48. Единственный параметр, который надо знать точ­но, — резонансная частота головки без оформления f₀. Определе­ние этого параметра незатруднительно и полученные результаты обычно устойчивы. Рисунки 46—48 различаются тем, что построе­ны для фиксированных значений спада частотной характеристики, не превышающих соответственно 6, 12 и 18 дБ. На каждом ри­сунке представлены области изменения значений Q и V_Э/V в за­висимости от . Значение Q и V₃/V могут быть любыми внут­ри заштрихованных фигур на рисунках.

Пример расчета. Пусть допустимый спад на частоте f_гр = 60 Гц не превышает 6 дБ, f₀ головки (измеренное) = 30 Гц и V_Э (табличное) = 100 л.

Пользуясь рис. 46, из точки = 60/30 = 2 восстанавливаем ординату, которая пересечет заштрихованные области Q и V_Э/V. Значение V_Э/V можно выбрать в пределах 3—13, а значение Q в пределах 0,24—1,0. Если выбранные значения Q и V₃/V почему-либо не устраивают, можно менять либо граничную частоту, либо спад.

Рассчитать закрытую АС можно не только по графикам, но и то приведенным формулам.

Пусть, например, требуется рассчитать объем закрытой АС с нижней граничной частотой 50 Гц, имеющей головку 10ГД-36 (f₀ = 38 Гц, V_Э = 60 л, Q = 0,8).

1.      Определяем объем оформления из (36):  л.

2. Находим добротность головки в закрытом оформлении из (38):

.

В соответствии с рис. 39 минимальная неравномерность частот­ной характеристики имеет место при Q₀ = 1. Так что полученная неравномерность частотной характеристики из-за пика на частоте  практически минимальна и составляет всего около 1,5 дБ.

Параметры современных отечественных серийно выпускаемых, закрытых АС приведены в табл. П.2 приложения. Рекомендаций по  практическому выполнению АС  можно найти  далее.