М.М. ЭФРУССИ. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ, М., «ЭНЕРГИЯ», 1971

 

6. ВЛИЯНИЕ  ПОМЕЩЕНИЯ   И   РАСЧЕТ   НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ  ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

 

Акустические особенности помещения, где осуществляется вос­произведение звука, оказывают влияние па частотную характеристи­ку звукового давления, а следовательно, и на качество воспроизве­дения. Одна и та же аппаратура будет звучать по-разному в раз­личных помещениях. К акустическим особенностям относятся: форма помещения, его объем и коэффициенты поглощения звука ограждающих помещение поверхностей (потолка, пола, стен). Так, например, шторы, ковры, мягкая мебель и т. п. обладают большим коэффициентом звукопоглощения, тогда как гладкий потолок и сте­ны весьма мало поглощают звук и в значительной степени его отра­жают. Открытое окно является идеальным звукопоглотителем. Зву­копоглощение А пропорционально площади поглотителя S и его ко­эффициенту звукопоглощения

A=S

Всякое помещение (зал, аудитория, комната) представляет со­бой достаточно сложную акустическую систему, обладающую рядом собственных резонансных частот. При возбуждении в помещении каких-либо звуков, содержащих составляющие таких же частот, воз­никают резонансные колебания воздуха внутри помещения. Такое явление приводит к усилению звуков этих частот и изменению спект­рального состава звукового сигнала, т.е. к изменению тембра.

 

Стоячие волны в помещении сильно нарушают равномерность звукового поля, так как появляются места с максимальным и ми­нимальным звуковым давлением (пучности и узлы). Стоячие волны образуются не только между парами параллельных поверхностей, ограничивающих помещение, но и в других сочетаниях, имеющих место при косых направлениях распространения звуковых волн.

Однако первый тип колебаний (осевые моды) имеет наибольшее значение в деле формирования звукового поля в помещении, осо­бенно малых размеров. Первая (осевая) частота собственных коле­баний, возникающих между параллельными поверхностями, равна f_p1 =168/l, гц, где l — расстояние между ограничивающими поверх­ностями, м.

 

Гармонические составляющие этой частоты, кратные ей, будут в 2, 3 и т. д. раза больше. Таким образом, самая низкая частота собственных колебаний определяется наибольшим размером помещения (обычно длиной). Например, собственная частота при наи­большем расстоянии между стенами около 3,4 м составляет 50 гц. Самым неудачным по форме помещением для прослушивания явля­ется куб, так как у него во всех трех направлениях будет одинако­вая основная резонансная частота и кратные ей частоты (гармоники). Итак, в любом помещении существует множество соб­ственных колебаний, при этом в области, начинающейся с самой низшей собственной частоты, плотность спектра собственных колебаний сравнительно небольшая, но резко увеличивающаяся с повы­шением частоты. Поэтому начиная уже с частоты 150—200 гц для не очень малых помещений плотность спектра собственных колебаний настолько велика, что явление резонанса становится мало замет­ным. Большое помещение является более благоприятным для зву­ковоспроизведения, так как его основные резонансные частоты с увеличением размеров понижаются и оказываются за пределами ра­бочего диапазона частот, а гармоники благодаря большому их чис­лу образуют почти сплошной спектр и не подчеркивают звуков от­дельных частот. Желательно чтобы объем помещения, в котором осуществляется звуковоспроизведение, был не менее 42 м³, а один из линейных размеров был не менее 5 м.

 

Эффективным средством, улучшающим прослушивание, являет­ся наличие в помещении поглотителей звука, уменьшающих время реверберации. В театрах, кино, концертных залах применяются звукопоглотители, которыми покрывают потолок и верхнюю часть стен.

В домашних условиях звук поглощается мягкими вещами, включая и мебель. Конечно, и сами слушатели оказываются в роли звукопоглотителей и от их количества зависит степень поглощения в помещении. Для домашнего монофонического прослушивания счи­тается подходящей комната с временем реверберации порядка 0,7— 0,9 сек (для стереофонического 0,4—0,5 сек). При этом чем больше объем комнаты, тем большим может быть время реверберации при сохранении хороших условий для звуковоспроизведения. На рис. 28 представлена зависимость наивыгоднейшего (оптимального) време­ни реверберации помещения от его объема. Для наглядного пред­ставления зависимости звукового давления, создаваемого громкого­ворителем в помещении (в точке расположения измерительного мик­рофона), на рис. 29 приведены частотные характеристики одного и того же высококачественного громкоговорителя, измеренные в ком­нате и звукомерной (заглушенной) камере. Как видно, в обычной комнате (пунктирная кривая) на частотах ниже 400 гц характери­стика весьма неравномерна, тогда как в звукомерной камере, где все ограждающие поверхности обладают большим коэффициентом звукопоглощения, характеристика (сплошная кривая) сглаживается. Вид частотной характеристики, снятой в комнате, сильно зависит от места установки микрофона или расположения громкоговорите­ля. На рис. 30 показаны частотные характеристики громкоговорите­ля в фазоинверторе, измеренные в области самых низких частот в открытом пространстве, что соответствует условиям звукомерной камеры 1, в жилой комнате у стены 2 и в углу 3. На рисунке видно, что в помещении возрастает уровень звукового давления, развивае­мого громкоговорителем, причем установка его в углу комнаты по­вышает излучение низших частот приблизительно на 4 дб.

 

Рис. 28. Зависимость оптимального времени реверберации    помещения   от   его   объема.

 

Рис. 29. Частотные характеристики громко­говорителя, снятые в обычной комнате (пунктир) и в звукомерной камере (сплош­ная). По вертикальной оси отложены зна­чения уровня звукового давления в децибе­лах.

 

Рис. 30. Зависимость уровня звуко­вого давления (дб), развиваемого громкоговорителем на низших частотах, от места его расположе­ния.

1 — в    открытом    пространстве;     2 — в комнате у  стены;  3 — в  углу.

 

Выбор громкоговорителя должен начинаться с определения его номинальной мощности, которая в свою очередь совместно с к.п.д. укажет и мощность выходного каскада усилителя низкой ча­стоты.

Номинальная мощность громкоговорителя должна обеспечи­вать воспроизведение без его перегрузки, а следовательно, без за­метного увеличения искажений, пиковых уровней наиболее громких видов передач, к которым относятся оркестры. Пиковые уровни на 6—9,5 дб превышают среднеквадратичные (эффективные) значения уровня передачи. Конечно, звуковоспроизводящая установка  может быть сделана с некоторым запасом по мощности. Однако значитель­ное завышение мощности установки (усилителя и громкоговорите­лей) ведет к ее удорожанию и особенно к увеличению стоимости эксплуатации.

 

Чем больше объем помещения, в котором должна работать зву­ковоспроизводящая установка, и чем больший уровень громкости желают установить при прослушивании, тем большей должна быть номинальная мощность установки. Помимо объема помещения, мощ­ность усилителя зависит от к.п.д. применяемых громкоговорите­лей, а также от среднего коэффициента звукопоглощения помеще­ния. В расчете принимается оптимальное время реверберации, при котором получается наилучшее звучание.

 

Если предположить равномерное распределение плотности зву­ковой энергии по помещению, то полная акустическая мощность ис­точника звука выразится формулой

где p — эффективное значение звукового давления, дин/см²; A — полное звукопоглощение в помещении, выражаемое площадью иде­ального поглотителя звука (открытое окно), см²;  — плотность воз­духа, равная 0,0012 г/см³; c — скорость звука, равна 344*10² см/сек.

 

Полное   звукопоглощение  помещения А связано с его объемом V_П и временем реверберации Т

Подставив в формулу для акустической мощности известные данные, выражение для А, и выразив мощность в ваттах, получим:

Для того чтобы определить требующуюся номинальную мощ­ность громкоговорителя и усилителя вводим в эту формулу к.п.д. громкоговорителя , тогда окончательная расчетная формула для определения электрической мощности усилителя и громкоговорите­лей будет иметь вид:

Для большего удобства в определении необходимой мощности на рис. 31 приводятся расчетные номограммы в виде четырех на­клонных прямых. С их помощью может быть найдена необходимая электрическая мощность усилителя и громкоговорителей, требую­щаяся для озвучивания помещения объемом в пределах от 20 до 300 м³. Номограммы для расчета электрической мощности сделаны для двух уровней звуковоспроизведения, соответствующих звучанию большого оркестра из 75 человек, с уровнем звукового давле­ния 96 дб (эффективное звуковое давление 1,25 н/м²) и оркестра из 18   человек с уровнем  86 дб (эффективное звуковое давление 0,4 н/м²). В связи с тем что пиковое звуковое давление в 2— 3 раза больше эффективного, расчет номограмм проведен для обоих этих возможных пиковых значений.

Рис. 31. Номограммы для расчета мощности громкоговорителя и уси­лителя в зависимости от объема помещения и уровня интенсивности

звука.

1, 2 — для уровня интенсивности звука (большого оркестра (75 человек); 3, 4— для уровня интенсивности звука малого оркестра (18 человек).

Оптимальное время реверберации для помещений различных объемов показано на рис. 28. Коэффициент полезного действия громкоговорителя принят равным 1% (=0,01). Эта величина может считаться гарантированной для большинства типов выпускае­мых громкоговорителей, хотя, вероятно, часть из них (более мощных) обладает немного большим к.п.д. Использование в звуковоспроизводящей установке лучших громкоговорителей, чем это приня­то в расчете, приведет к образованию некоторого запаса по мощ­ности.

Рис. 32. Зависимость относительных мощ­ностей низко- и высокочастотной головок от частоты раздела.

 

В зависимости от объема помещения и желаемого уровня вос­производимого звука (оркестр из 18 или 75 человек) требующаяся мощность громкоговорителя будет находиться между значениями, указываемыми двумя наклонными прямыми, относящимися к уров­ням интенсивности звука, соответствующим большему или меньше­му оркестру.

 

Нижняя прямая в каждой паре (2 и 4) указывает минимальную необходимую мощность, так как она относится к удвоенным значе­ниям звукового давления при пиках передачи (уровни интенсивно­сти звука 92 и 102 дб) и соответствует четырехкратному запасу мощности. Верхняя прямая (1 и 3) указывает максимальную необ­ходимую мощность, так как она относится к утроенным значениям звукового давления при пиках передачи (уровни 95,5 и 105,5 дб) и соответствует девятикратному запасу мощности. Например для зву­ковоспроизведения в комнате объемом 51 м³ (площадь 17 м², высо­та 3 м) при уровне интенсивности звука, соответствующем большому оркестру, требуется громкоговоритель и усилитель мощностью от 3,7 до 8,3 вт или, округляя, от 4 до 10 вт.

 

В том случае, когда время реверберации в помещении меньше оптимального, уровень интенсивности звука также будет несколько меньшим. Влияние увеличения звукопоглощения в комнате и соответствующего уменьшения времени реверберации можно оценить, открыв во время работы громкоговорителей окна, конечно, если площадь последних не менее 2—3 м². Рассчитанная мощность отно­сится к широкополосному громкоговорителю. Если же будет использоваться двух- или трехполосная система, то мощность низкоча­стотной и высокочастотной головок в зависимости от частоты раз­дела может быть определена по кривим рис. 32, построенным по указанным выше данным распределения текущей мощности нату­ральных звучаний на выходе НЧ и ВЧ фильтров. Мощность узкопо­лосных головок определяется умножением мощности широкополос­ного громкоговорителя на величину относительной мощности, ука­зываемой кривыми для выбранной частоты раздела.

 

Следующий раздел >>

Раздел 7. Внешнее (акустическое) оформление громкоговорителя