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

 

7. ВНЕШНЕЕ (АКУСТИЧЕСКОЕ)  ОФОРМЛЕНИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

 

Для защиты головки громкоговорителя от повреждений и обес­печения воспроизведения громкоговорителем области низших частот она обычно используется с внешним оформлением, часто называе­мым акустическим в связи с его влиянием на частотную характери­стику громкоговорителя. Выясним более подробно эту роль оформ­ления.

 

При работе громкоговорителя его диффузор совершает колеба­ния вперед и назад с различными амплитудами в соответствии с ве­личиной и направлением тока, проходящего через звуковую катуш­ку. Двигаясь вперед, диффузор сжимает воздух перед собой и раз­режает его позади себя. В результате этих сжатий и разрежений воздуха создаются звуковые волны распространяющиеся со скоро­стью приблизительно 340 м/сек, Однако звуковые волны от передней и задней сторон диффузора (вследствие того, что одна создается сжатием, а другая — разрежением воздуха) различаются но фазе на 180^o, что соответствует разности в половину длины излучаемой волны.

Если в точку пространства, где прослушивается звук, придут обе волны — прямая и оборотная (от задней стороны диффузора), то, взаимодействуя одна с другой, они почти полностью уничтожат­ся и звук будет резко ослаблен. При этом вместо того, чтобы воз­буждать звуковые волны, диффузор будет перегонять воздух с од­ной своей стороны на другую (такой эффект называют не совсем точно акустическим коротким замыканием).

 

Акустическое короткое замыкание проявляется только в области самых низких звуковых частот (приблизительно ниже 300 гц), при которых размеры диффузора малы по сравнению с длинами этих волн. Для более высоких звуковых частот, у которых длина волны меньше, отрицательное воздействие оборотной волны ослабляется самим диффузором.

Пусть, например, громкоговоритель излучает звук частотой f=500 гц; длина волны звука этой частоты

 

Если полный диаметр громкоговорителя равен 32 см, то до при­хода в точку прослушивания, находящуюся на оси громкоговорителя (линия, проходящая через центр диффузора), волна от задней сто­роны диффузора должна будет пройти путь, приблизительно на 26 см больший, чем волна от передней его стороны (рис. 33).

 

Рис. 33.  Интерференция  между звуковыми волнами от передней и задней сторон диффузора.

 

Это означает, что звуковая волна от задней стороны диффузора придет в точку приема с дополнительным сдвигом фазы, который будет определяться отношением разности длины путей от передней и зад­ней сторон диффузора к длине полны. В нашем примере разность длины путей составляет 26 см, а длина волны звука (частота 500 гц)  равна 68 см. Следовательно, дополнительный сдвиг фазы

 

 

Поскольку звуковая волна от задней стороны диффузора всегда сдвинута по фазе на 0,5 X, результирующий сдвиг фазы рассматри­ваемой волны по отношению к волне от передней стороны диффузо­ра  составит .  Это  означает, что волны от обеих сторон диффузора придут в точку приема почти в одинаковой фазе (сдвиг фазы будет 0,1) и сложатся, в результате чего звуко­вое давление возрастет. Для звука частотой 50 гц (= 680 см) при том же диаметре диффузора создается условие, при котором сдвиг фазы вследствие огибания диффузора составит всего лишь

 

;

 

При таком сдвиге фазы энергии звуковых волн от обеих сторон диффузора будут вычитаться одна из другой и звуковое давление резко упадет.

Из разобранного примера следует, что если общий сдвиг фазы волны от задней стороны диффузора в точке приема звука равняется целому числу длин волн ( и т. д.), то энергия этой волны будет складываться с энергией волны от передней стороны диффузо­ра и звук будет усиливаться. Если же сдвиг фазы равен нечетному числу полуволн ( и т. д.), то энергии волн будут вы­читаться и звук будет ослабляться.

 

Вычитание и сложение энергий звуковых волн различных частот в точке их приема создают максимумы и минимумы (подъемы и про­валы) звукового давления. Такое взаимодействие волн (интерферен­ция) может происходить не только между волнами от передней и задней сторон диффузора, но и от волн, приходящих в точку приема после отражения от какой-либо из ограждающих поверхностей. Имен­но поэтому частотные характеристики громкоговорителей измеряют или на открытом пространстве или в заглушенных помещениях, внут­ренние поверхности которых плохо отражают звуковые волны.

Если имеется интерференция между звуковыми волнами от пе­редней и задней сторон диффузора, то наибольшая неравномерность частотной характеристики звукового давления будет наблюдаться вдоль оси громкоговорителя при наличии его симметрии (осевой). Это происходит потому, что сдвиг фазы звуковой волны за счет огиба­ния будет примерно одинаковым вокруг всего громкоговорителя.

В стороне от оси громкоговорителя, из-за различия в длине пути для волн от различных частей диффузора до точки прослушивания, сдвиг фазы оборотной волны также оказывается различным. В ре­зультате этого подъемы и провалы в частотной характеристике раз­виваемого громкоговорителем звукового давления сглаживаются, и характеристика получается более ровной.

 

Чтобы устранить крайне нежелательное явление интерференции волн низших частот от передней и задней сторон диффузора, приме­няют различные виды внешнего оформления громкоговорителей: щит (акустический экран), открытый или закрытый ящик, фазоинвертор, акустический лабиринт, направляющий рупор.

 

Внешнее оформление эффективно только при наличии громкого­ворителя, способного воспроизвести низшие частоты, т. е. с низкой частотой основного резонанса. Для громкоговорителей, предназначен­ных для карманных радиоприемников, у которых основная ре­зонансная  частота высока,  акустическое оформление  неэффективно.

 

Акустический экран. Наиболее простым видом оформления гром­коговорителя является акустический экран, представляющий собой чаще всего деревянный щит прямоугольной формы, размеры которого для воспроизведения низших частот должны быть довольно больши­ми. Например, для воспроизведения без ослабления звука частотой 50 гц, длина волны котороя равна 680 см, необходимо, чтобы сто­рона экрана приблизительно равнялась 340 см (половине длины вол­ны) или больше. Однако вполне удовлетворительные результаты, особенно если частотная характеристика усилителя имеет подъем на низших частотах, могут быть получены со щитом меньшего размера, сторона которого приблизительно равна четверти длины волны низ­шей воспроизводимой частоты. Эта низшая частота, однако, не может быть ниже основной резонансной частоты громкоговорителя, так как ниже этой частоты резко падает излучение громкоговорителя (18 дб на октаву).

 

Симметричность экрана относительно оси диффузора нежелатель­на, так как при этом в частотной характеристике громкоговорителя появится глубокий провал и результате акустического короткого за­мыкания на одной из частот. Значительное улучшение частотной ха­рактеристики достигается или несимметричным экраном, или асиммет­ричным расположением громкоговорителя в экране правильной формы.

 

В настоящее время этот простейший вид оформления громкого­ворителей почти не применяется, главным образом, из-за его громозд­кости и недостаточной эстетичности. Установка щита с громкоговори­телем в углу комнаты (рис. 34) позволяет уменьшить размеры щита без ухудшения воспроизведения звуков низших частот, так как стены, образующие угол, служат продолжением экрана, увеличивая его эффективные размеры. Щит, предназначенный для этого, следует подвесить в верхнем углу комнаты, придав ему форму треугольника или трапеции. Между верхней кромкой щита и потолком необходи­мо оставить широкую щель, а пространство позади громкоговорите­ля рекомендуется заполнить звукопоглощающим материалом. Сам же громкоговоритель полезно обернуть одним-двумя слоями неплотной ткани {например, марли и т. п.), предохраняющей от попадания пыли в подвижную систему. Весьма эффективным экраном может слу­жить дверь в соседнюю комнату, перегородка (стена) между комна­тами, натолок, задняя сторона письменного стола и т. п. Щит может иметь небольшие размеры (сторона 40—50 см), если установленный в нем громкоговоритель должен воспроизводить частоты выше 150— 200 гц. Такое положение часто существует в стереофоническом зву­ковоспроизведении, при котором обычно звуки низших частот воспро­изводятся одним общим громкоговорителем, а звуки средних и выс­ших частот— двумя каналами зву­ковоспроизведения. В этом случае на двух щитах устанавливаются среднечастотные и высокочастотные громкоговорители правого и левого каналов. Задние стороны диффузоров этих громкоговорителей во избе­жание нежелательного излучения звука закрываются кожухом, запол­ненным звукопоглотителем (см. ни­же). Щиты обтягиваются с обеих сторон неплотной декоративной тка­нью и устанавливаются в наклонном положении на полу с помощью од­ной подпорки на каждом щите (по­добно тому, как это сделано в рамках для настольных фото, зеркалах и т. п.).

 

Рис. 34. Внешний вид щита с громкоговорителем, подве­шенного в углу комнаты.

 

Более удобным, чем акустичес­кий экран, для размещения громко­говорителя является ящик с откры­той задней стенкой. Он эквивалентен плоскому экрану, если площадь последнего равна общей площади всех поверхностей ящика, кроме задней стенки, и если глубина ящика не пре­вышает  1/8 наибольшей волны. Ящик с открытой задней  стенкой представляет собой своеобразный резо­натор Гельмгольца, резонансная частота которого

,

где f_Я — резонансная частота ящика, гц; S — площадь заднего отвер­стия ящика, см²; V — объем ящика, см³.

 

Эксперименты с различными ящиками и головками показали, что наилучшее воспроизведение низших частот получается, если резо­нансная частота ящика в 1,5—2 раза больше частоты основного резонанса громкоговорителя. Если же эти частоты отличаются между собой в значительно большее число раз, то ухудшается частотная характеристика громкоговорителя в области низших частот и звук становится бубнящим. В связи с этим рекомендуется, выбрав раз­меры ящика с открытой задней крышкой, определить по приведен­ной формуле его резонансную частоту и соотношение с частотой ос­новного резонанса головки.

Ящики с открытой задней стенкой имеют сейчас очень широкое распространение. Все приемники, телевизоры, радиолы, абонентские громкоговорители и т.п. представляют собой такой ящик.

 

В наших лучших радиолах «Симфония», «Ригонда» и других уже используют вынесенные громкоговорители. За границей в подав­ляющем числе случаев также используют радиоприемники без УНЧ и громкоговорителя (так называемые «тьюнеры» — «настройщики»), а мощный УНЧ и громкоговоритель являются отдельными блоками.

Наиболее перспективным видом внешнего оформления громкого­ворителей следует считать закрытый ящик и фазоинвертор, ибо толь­ко с их помощью можно при относительно небольших габаритах обес­печить хорошее воспроизведение звуков самых низших частот (30—70 гц).

 

Закрытый ящик. Закрытая задняя стенка, на первый взгляд, дол­жна улучшить воспроизведение низших частот тем, что исключается излучение задней стороны диффузора, именно поэтому за рубежом этот вид оформления часто называют «бесконечным экраном». Одна­ко упругость находящегося в ящике объема воздуха, особенно если этот объем не слишком велик (меньше 1 м³), складывается с упру­гостью подвижной системы громкоговорителя и повышает его основ­ную резонансную частоту, чем ухудшает отдачу на низших часто­тах. Зависимость новой частоты основного резонанса громкоговорителя в ящике может быть определена из выражения

где f ^'_p — новая частота основного резонанса, гц; f_p — частота основ­ного резонанса громкоговорителя (без ящика), гц; р — плотность воз­духа, равная при 20° С и атмосферном давлении 1,2 кг/м³; c — ско­рость звука в воздухе, равняя 344 м/ceк; S_ДИФ— площадь излуча­ющей части диффузора (эффективная площадь), приблизительно рав­ная ; R_диф — радиус диффузора громкоговорите­ля, см; m — масса подвижной системы громкоговорителя,   кг;   V_Я — объем ящика, м³.

 

Приведенное выражение показывает, что основная резонансная частота значительно сильнее зависит от диаметра диффузора, чем от объема ящика. Чем больше объем ящика и меньше диаметр диф­фузора, тем меньше повышается частота основного резонанса громкоговорителя.

В качестве примера укажем, что у головки с диффузором диамет­ром 30 см и частотой основного резонанса f_гр=18 гц, которая поме­щена в закрытый ящик объемом V_я = 50 л (0,05 м³ или 50 дм³), ча­стота основного резонанса повышается до f_гр=45 гц. Соответственно у головки с диффузором 20 см и f_гр = 25 гц, помещенной в ящик объ­емом V_я = 25 л, частота основного резонанса повышается до f ^'_гр= 55 гц; у головки с диффузором 14,5 см и f_гр=30 гц, помещенной в ящик объемом V_я= 6 л, частота основного резонанса повышается до f'_гр=75 гц. За рубежом головку с очень низкой частотой основного резонанса (15—25 гц), установленную в закрытом ящике, часто назы­вают «акустически, подвешенной». Итак, основным условием исполь­зования закрытого ящика небольших габаритов при воспроизведении звуков самых низших частот является наличие головки с очень низ­кой частотой основного резонанса (20—30 гц). Кроме смещения ча­стоты основного резонанса, замкнутый объем воздуха вызывает до­полнительные резонансные явления на более высоких частотах. Они увеличивают неравномерность частотной характеристики громкогово­рителя. Для устранения дополнительных резонансов, создаваемых воздушным объемом ящика и отражениями, внутренние поверхности ящика покрывают звукопоглощающим материалом. Иногда звукопо­глощающим  материалом заполняют весь объем ящика.

 

Из того, что говорилось о закрытом ящике, следует, что его объем связан с диаметром диффузора головки и частотой ее основ­ного резонанса. Головка с диффузором диаметром 25—35 см должна помещаться в закрытый ящик объемом не менее 50 л. Если имеющая­ся головка обладает недостаточно низкой частотой основного резо­нанса, то объем закрытого ящика, мало сдвигающего частоту ос­новного резонанса, можно определить по формуле

, см³

где D_диф — диаметр диффузора, см.

Если в ящик устанавливают два громкоговорителя, то расчет размеров ящика производят по эквивалентному диаметру диффузора .

При одинаковых диаметрах диффузоров громко­говорителей D_экв = 1.41D_диф. Соотношение размеров сторон ящика не имеет значения, однако для глаз приятнее, если эти размеры соответ­ствуют так называемой динамической симметрии.

 

Принцип динамической симметрии находит свое основное применение в архитектуре и промышленности, выпускающей продукцию, внешний вид которой имеет столь же важное значение, как и осталь­ные ее качества, например мебель. В оформлении различной радио­аппаратуры соблюдение этого принципа также очень существенно. Принцип динамической симметрии состоит в использовании геометри­ческих фигур с определенным соотношением размеров сторон, что обес­печивает привлекательный внешний вид. У прямоугольников принци­пу динамической симметрии отвечает, в частности, соотношение сторон  (например, ширина 100 см, а длила 141 см) или  (1 : 1,73), или  (1 : 2). Некоторые фигуры, отвечающие принципу динамической симметрии, обладают свойством подобия исходной фи­гуре, если ее разделить на части. Например, в случае прямоугольни­ков, указанных выше, это произойдет при делении их на 2, 3 и 4 рав­ные части по длине прямоугольника.

В применении к ящикам для громкоговорителя или другой ра­диоаппаратуры принцип динамической симметрии может означать, в частности, соотношение размеров их сторон  (глубины, ширины и высоты), как 1 : 1, 41 : 2(), а объем такого ящика будет равен меньшей стороне, умноженной на  (2,82).

 

Некоторое влияние на частотную характеристику громкоговорите­ля оказывает внешняя конфигурация ящика вследствие эффекта диф­ракции (огибание волной препятствия). На рис. 35 приведены иллю­стрирующие это влияние частотные характеристики одного и того же громкоговорителя в ящиках различной формы. Из этих частотных характеристик видно, что чем более плавную форму, т. е. более ту­пые углы, имеет поверхность, прилегающая к громкоговорителю, тем слабее эффект дифракции и тем ровнее частотная характеристика громкоговорителя. Наилучшей для уменьшения дифракции формой поверхности будет сфера. Видимо, это привело к выпуску за рубе­жом громкоговорителей, оформленных в виде сферы, громкоговоритель (рис.36) французской фирмы «Элипсон» имеет диаметр сферы 40 см, основную головку с диффузором диаметром 21 см, мощность 20 вт, полосу воспроизводимых частот 60—20 000 гц.

 

Конечно, в домашних условиях изготовить сферу довольно за­труднительно, однако возможно использовать старый или поврежден­ный географический глобус из папье-маше диаметром около 40 см. Такая сфера обладает объемом около 34 л, что позволяет сделать довольно хороший громкоговоритель. На рис. 37 приведена частотная характеристика сферического громкоговорителя диаметром 40 см в ра­диолюбительском исполнении. В громкоговорителе использована го­ловка 4ГД4-РРЗ с частотой основного резонанса 45 гц; в сфере ча­стота основного резонанса повысилась до 75 гц. Внутренняя поверх­ность сферы покрыта слоем стекловаты, помещенной в мешок из стек­лоткани общей толщиной 12—15 мм.

Рис. 35. Частотные характеристики громкоговорителя в ящиках различной формы (точка обозначает место рас­положения громкоговорителя).

 

Фазоинвертор. Весьма значительное распространение получил фазоинвертор, представляющий собой разновидность закрытого ящика; отличие состоит в наличии отверстия на какой-либо стороне ящика; чаще на одной стороне с громкоговорителем. Масса воздуха в отверстии ведет себя подобно диффузору, являясь дополнительным излуча­телем звука преимущественно на резонансной частоте фазоинвертора, которая делается равной основной резонансной частоте громкогово­рителя (или несколько ниже).

 

Рис.   36.   Внеш­ний вид гром­коговорителя в сферическом оформлении.

 

Рис. 37. Частотная характеристика громкоговорителя 4ГД4-РРЗ, установленного в сфере.

Рис. 38. Действие фазоинвертора.

а — частота звука, излучаемого громкоговорителем, выше резонансной частоты фазоинвертора; б — частоты равны; в — частота громкоговорителя ниже резонансной частоты фазоинвертора.

 

Как происходит излучение звука фазоинвертором, показано на рис. 38. При частотах сигнала выше резонансной частоты фазоинвер­тора (f_с>fф) звуковое давление, создаваемое громкоговорителем, больше, чем создаваемое отверстием фазоинвертора, и они близки по фазе, а поэтому складываются. На резонансной частоте фазоинвертоpa (f_c = f_ф), если эта частота не равна частоте основного резонанса головки, создаваемое ею звуковое давление значительно меньше, чем от отверстия фазоинверто­ра, и результирующее звуковое давление опре­деляется, главным обра­зом, изучением фазоин­вертора. При частотах сигнала ниже резонанс­ной частоты фазоинвер­тора (f_с<f_ф) создавае­мое им звуковое давле­ние уменьшается, стано­вясь близким по величи­не к звуковому давле­нию от громкоговорите­ля. Эти давления почти противофазны, поэтому результирующее звуковое давление будет меньше каждого из них.

 

Таким образом, в фазоинверторе использовано излучение задней стороны диффузора громкоговорителя, что увеличивает отдачу на са­мых низких частотах. Происходит это потому, что диффузор громко­говорителя связан через упругость воздушного объема ящика с мас­сой воздуха в отверстии, причем в результате такой связи фаза ко­лебании воздуха в отверстии повернута на 180° по отношению к фазе колебаний задней стороны диффузора, т.е. колебания воздуха в отверстии получаются синфазными с колебаниями передней сторо­ны диффузора. Это обстоятельство и послужило основанием назвать такое акустическое оформление фазоинвертором. Гибкость воздушно­го объема ящика и масса воздуха в отверстии фазоинвертора, зави­сящая от площади и толщины краев отверстия, образуют резонанс­ную систему (резонатор Гельмгольца), частота которой приближенно выражается уже приводившейся формулой

где f_ф — резонансная частота фазоинвертора, гц; S — площадь отвер­стия, см^г; V — объем ящика, см³.

 

Из этой формулы видно, что резонансная частота меньше зави­сит от изменения площади отверстия, чем от объема ящика. Напри­мер, изменив площадь отверстия в 16 раз, мы изменим частоту резо­нанса только в 2 раза. Однако площадь отверстия определяет эф­фективность фазоинвертора (его отдачу) и должна приблизительно соответствовать эффективной площади диффузора (2,1—2,5R²_диф) чтобы мощности излучения отверстия и громкоговорителя были со­измеримыми. Так как площадь отверстия фазоинвертора при одной и той же резонансной частоте связана с объемом, необходимо исполь­зовать фазоинвертор определенного объема в зависимости от разме­ров громкоговорителя.

 

 

 

Далее >>