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

 

7. ВНЕШНЕЕ (АКУСТИЧЕСКОЕ)  ОФОРМЛЕНИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ (продолжение)

 

Рис. 39. Частотные характеристики громкоговорителей в фазоинверторах различных объёмов.

1 – объём 238 л; 2 – объём 57 л.

 

Это подтверждается рис. 39, где показаны частотные характери­стики громкоговорителя с диффузором диаметром 25 см и эффектив­ной площадью около 400   см²,  установленного, в фазоинверторах, наст­роенных на одну и ту же частоту 40 гц,  но двух различных объемов (57 и 238 л), имеющих отверстия    соответствен­но площадью 28 и 410 см². Фазоинвертор мень­шего объема практичес­ки  ничего не излучает на своей резонансной ча­стоте, в то время как другой фазоинвертор с площадью отверстия, почти равной площади диффузора, излучает на той же частоте столько же, сколько излучает громкоговоритель на других частотах. Дру­гой иллюстрацией  зави­симости отдачи фазо­инвертора от площади его отверстия могут служить частотные характеристики громкоговорителя с основным резонансом на частоте 30 гц при неизменном объеме ящика фазоинвертора, но различных площадях отверстия (рис.   40). 

 

Рис. 40. Частотные характеристики громкоговорителя в фазоинверторе при  различных площадях отверстия.

1 — малая  площадь;   2 — средняя;  3 — боль­шая.

 

Из рисунка видно, что увеличение площади отверстия повышает резонансный пик и, следовательно, отдачу, причем это сопровождается и повышением частоты резонанса. Как показали эксперименты, небольшое влияние на резонансную ча­стоту фазоинвертора оказывает конфигурация  прямоугольного   отверстия, т. е. отношение его сторон. Резонансная частота при соотно­шении сторон отверстия oт 2 до 16 повышается на 6—12%. Конфи­гурация ящика фазоинвертора при отношении его сторон до 1 : 3 не влияет существенно на частоту резонанса. Механико-акустическая система фазоинвертора с громкоговорителем может быть изображе­на приведенной схемой электрического аналога, представляющей громкоговоритель последовательным колебательным контуром, а фа­зоинвертор—параллельным контуром, которые соединены последовательно (рис. 41). Здесь т_гр, c_гр, r_гр— параметры подвижной системы громкоговорителя (ее масса, гибкость подвеса, трение подвеса и активная  составляющая   сопротивления   излучения),   c_ф — гибкость воздуха в ящике, r'_ф, m'_ф— приведенные активная составляющая со­противления излучения и масса воздуха в отверстии  (с учетом соколеблющейся массы воздушной среды). Эта схема позволяет объ­яснить наличие двух максимумов в частотной характеристике модуля полного сопротивления   громкоговорителя  с  фазоинвертором.

 

Рис. 41.   Схема   электрического аналога фазоинвертора.

 

Предположим, что резонансные частоты громкоговорителя и фазоинвертора одинаковы и равны f_ф. Для частот ниже резонансной последовательной контур, соответствующий громкоговорителю, имеет емкостный характер, а параллельный контур, соответствующий фазоинвертору — индуктивный характер. Поэтому оба рассматриваемых контура образуют как бы новый последовательной резонансный контур с частотой резонанса f₂. Для частот выше резонансной характе­ристика контуров становится обратной: последовательный контур ве­дет себя как индуктивность, параллельный — как емкость. В результате этого получается второй резонанс нового последовательного контура на час­тоте f₂ (рис. 42). Фазоинвертор считается правильно наст­роенным, если в частотной ха­рактеристике полного сопроти­вления оба пика (на частотах f₁ и f₂) имеют приблизительно одинаковую частоту.

 

Рис.  42.  Частотные характеристики полного сопротивления громкоговорителя.

1 — в экране;   2 — в закрытом  ящики;  3 — в  фазоинверторе.

 

На рис. 42 приведены час­тотные характеристики полно­го электрического сопротивления одного и того же громкоговорителя с диффузором диаметром 18 см, установленным в экране, в фазоинверторе объемом 95 л (64x45x32 см) и в закрытом ящике, которым служит тот же фазо­инвертор с закрытым отверстием. Из первой характеристики видно, что основная резонансная частота головки равна 61 гц. В закрытом ящике резонансная частота передвинулась на 82 гц. Частотная ха­рактеристика по звуковому давлению этого громкоговорителя в фа­зоинверторе показана на рис. 43; там же приведена характеристика в закрытом ящике того же объема. Эти характеристики показыва­ют, что правильно сделанный фазоинвертор обеспечивает нижнюю границу частотной характеристики, примерно равную частоте основ­ного резонанса, головки (в данном случае 58 гц), и несколько сгла­живает частотную характеристику в области частоты основного ре­зонанса по сравнению с характеристикой громкоговорителя в закрытом ящике. Нижняя граница характеристики последнего приблизи­тельно соответствует новой частоте основного резонанса (70 гц). Правильно сделанный фазоинвертор не только улучшает частотную характеристику звуковоспроизведения в области низших частот, но и способствует уменьшению нелинейных искажений вблизи частоты основного резонанса громкоговорителя и ниже в области резонанса громкоговорителя вследствие значительного возрастания амп­литуды смещения звуковой катушки  и диффузора  начинает сказываться нелинейность их подвеса (центрирующей шайбы, краевого гофра). Поэтому в воспроизводимом сигнале появляются гармониче­ские составляющие, т. е. возрастают нелинейные искажения вследст­вие значительного акустического сопротивления фазоинвертора при его резонансе амплитуда смещения диффузора уменьшается и зву­ковое давление создается, главным образом, выходным отверстием фазоинвертора. Так как при этом не происходит нелинейных эффек­тов (нарушения пропорциональности между смещением диффузора и возбуждающей силой), то звук получается неискаженным. Выше резонансной частоты фазоинвертора воздействие его на громкоговори­тель уменьшается, но увеличивается активная составляющая сопро­тивления излучения громкоговорителя и снижается амплитуда сме­щения звуковой катушки и поэтому искажения повышаются очень мало.

 

Рис. 43. Частотные характеристики уровня звукового давления гром­коговорителя.

1 — в фазоинверторе; 2 — в закрытом ящике.

 

На рис. 44 приведены осциллограммы звукового давления то­нов различных частот, создаваемых одним и тем же громкоговорите­лем с основным резонансом на частоте 85 гц при установке его на щите размерами 45x45 см и в фазоинверторе, согласованном с гром­коговорителем. Из осциллограмм видно, что нелинейные искажения громкоговорителя с фазоинвертором меньше, чем при установке его на щите.

 

Рис. 44. Осциллограммы зву­кового давления, развива­емого громкоговорителем.

1— в экране размером 45x45 см, частота 100 гц; 2— то же, часто­та 85 гц; 3 — то же, частота 50 гц; 4 — в фазоинверторе. ча­стота 75 гц; 5 — то же. частота 50 гц.

 

Таким образом, совмещение резонансных частот громкоговорите­ля и фазоинвертора, если они лежат в области 30—80 гц, снижает нелинейные искажения: смещение резонанса фазоинвертора немного ниже резонансной частоты громкоговорителя несколько расширяет вниз полосу воспроизводимых частот, не оказывая большого влияния на нелинейные искажения. Только в случае очень низкой (20—30 гц) резонансной частоты громкоговорителя фазоинвертор может быть на­строен на более высокую частоту. Поскольку фазоинвертор представ­ляет собой акустическую резонансную систему из гибкости воздуха в объеме ящика фазоинвертора (с_ф) и массы воздуха в отверстии и соколеблющейся с ним массы воздушной среды  (m'_ф), то его резо­нансная частота будет равна:

Эта формула показывает, что увеличение гибкости воздушного объема и массы воздуха в отверстии снижает резонансную частоту фазоинвертора. Увеличение гибкости может быть достигнуто уве­личением объема ящика, увеличение массы — утолщением краев отверстия (длина прохода). Последнее позволяет существенно умень­шить объем ящика и площадь отверстия без повышения резонансной частоты фазоинвертора, что очень важно. Формула для определения частоты резонанса фазоинвертора, содержащая экспериментально установленные поправки на толщину краев отверстия (длину прохо­да) и соотношение сторон прямоугольного отверстия (при круглом отверстии это отношение равно единице), имеет вид:

где f_ф — резонансная частота  фазоинвертора, гц;  S—площадь от­верстия, см²; k — соотношение сторон отверстая;  V_ф—объем ящика, см³; L — толщина краев отверстия  (длина прохода), см. Преобразовав эту формулу относительно объема

можно получить данные о влиянии толщины краев отверстия на объем ящика при неизменной резонансной частоте. Эти данные, пред­ставленные в виде кривой (рис. 45), показывают, что увеличение длины  прохода  до  позволяют  уменьшить вдвое объем ящика. Для удобства расчета объема ящика фазоинвертора в зависимости от желаемой частоты его резонанса и длины прохода на pис. 46 приводится номограмма, построенная в соответствии с указанной выше формулой. При этом следует иметь в виду, что длина прохода не должна превышать 0,1 длины волны, соответствующей резонансной частоте, т.е.

Рис.   45.  Зависимость объема фазоинвертора от толщины краев от­верстия.

 

Площадь отверстия фазоинвертора может быть выбрана в пре­делах от величины, равной эффективной площади диффузора (S_эфф=0,63 D_диф²), до 0,2 этой площади, т.е. 0,2 S_эфф.

 

Рис. 46. Номограмма для расчета объема ящика фазоинвертора.

 

Если отверстие круглое, то это означает, что его диаметр мо­жет быть приблизительно равен от 0,4 до 0,9 полного диаметра диффузора. Может показаться, что эти данные находятся в противо­речии с тем, что говорилось в первой части этого раздела о влиянии площади отверстия фазоинвертора на эффективность работы послед­него. Однако это противоречие кажущееся: дело в том, что звуковое давление, создаваемое отверстием фазоинвертора, пропорционально колебательной скорости массы воздуха в отверстии; последняя в свою очередь зависит от колебательной скорости диффузора громкоговорителя и размеров отверстия.

Разберем немного подробнее этот вопрос, чтобы лучше понять действие фазоинвертора. Из схемы аналога фазоинвертора с громкоговорителем (рис. 41) следует, что отношение колебатель­ных скоростей движения воздуха в отверстии фазоинвертора   ()

и диффузора () равно: 

,  когда частота сигнала равна резонансной частоте фазоинвертора .

 

В этих формулах:

 — угловая резонансная частота фазоинвертора

 — угловая частота сигнала; c_ф —гибкость воздуха в ящике фазо­инвертора; т'_ф—сумма массы воздуха в отверстии фазоинвертора и соколеблющейся массы воздуха; r'_ф — активная составляющая со­противления излучения фазоинвертора и активные потери при коле­баниях массы воздуха в отверстии  (звукопоглощение).

Заменив в правой части отношения скоростей гибкость воздуха в ящике фазоинвертора ее значением из выражения для резонансной

угловой частоты, равным , получим, что отношение колебательных скоростей равно добротности фазоинвертора

Отсюда v'_О=v_ДQ_ф т.е. колебательная скорость воздуха в отвер­стии фазоинвертора и создаваемое им звуковое давление пропорцио­нальны колебательной скорости диффузора и добротности фазоин­вертора, определяемой, в частности, массой воздуха в отверстии. Это относится к случаю, когда площади отверстия фазоинвертора и диффузора одинаковы; в тех случаях, когда площади отверстий не равны, в полученное выражение вводится в знаменатель коэффици­ент n=S_Д/S_О , учитывающий отношение площадей отверстий. Оконча­тельное выражение для колебательной скорости воздуха в отверстии фазоинвертора будет:

Последнее выражение показывает, что эффективность фазоинвертора пропорциональна его добротности и обратно пропорциональ­на отношению площадей отверстий. Однако если даже сделать площадь отверстия фазоинвертора в 4 раза меньшей, чем площадь отверстия для громкоговорителя (n = 4), то нетрудно сохранить неизменной или повысить добротность фазоинвертора, увеличив дли­ну прохода. На практике увеличение длины прохода позволяет умень­шить объем ящика и сохранить достаточную добротность фазоинвертора. Для подтверждения этого на рис. 47 показан внутренний вид (снята задняя крышка) современного двухполосного фазоинвертора объемом  около 90 л  (78x46x25 см). Диаметр диффузора  НЧ  го­ловки ранен 32 см, диаметр отверстия фазоинвертора 7 см. длина 10 см.

Рис. 47. Внутренний вид двухполосного фазоинвертора; на внутренних поверхностях видно звукопоглощающее покрытие.

 

Номограмма (рис. 46) дает возможность определить резонансную частоту этого фазоинвертора; она равна приблизительно 30 гц.

Следует, однако, иметь в виду, что повышенная добротность фазоинвертора ухудшает его переходные характеристики благодаря тому, что собственные колебания большой массы воздуха в отверстии, могут затухать в течение 30—40 мсек после остановки диффузора. Поэтому не нужно стремиться к ящикам с очень малым объемом.

 

В качестве примера рассчитаем фазоинвертор для громкоговорителя 4ГД4 с диффузором диаметром 18 см и частотой основного резонанса 54 гц. Выбираем круглое отверстие диаметром 8 см и длиной 10 см. Площади отверстия

Отношение сторон отверстия равно единице. Принимая резонансную частоту фазоинвертора равной частоте основного резонанса, т.е. 54 гц, восстанавливаем на рис. 46 перпендикуляр от отметки горизонтальной шкалы, соответствующей этой  частоте, и ведя к нему пунктирную линию, проходящую через данные нашего примера, на­ходим, что объем ящика фазоинвертора должен составлять 30 л. Правильность расчета и изготовления фазоинвертора, а также его согласования с громкоговорителем можно проверить измерением частотной характеристики модуля полного сопротивления громкого­ворителя или снятием частотной характеристики звукового давления, развиваемого громкоговорителем в области низших частот (прибли­зительно до 500 гц). Первый метод проверки проще, так как для него требуется меньшее количество измерительной аппаратуры и не требуется заглушенного помещения. Второй метод несколько слож­нее, но он дает более полные сведения, о действии громкоговорителя в фазоинверторе. Уже указывалось, что у правильно настроенного фазоинвертора на частотной характеристике модуля полного сопро­тивления громкоговорителя оба пика должны иметь приблизительно равную высоту.

 

Если в результате проверки окажется необходимым произвести перестройку резонансной частоты фазоинвертора, то это удобнее всего сделать изменением длины прохода: удлинение прохода сни­зит, а укорочение повысит резонансную частоту. В случае фазоин­вертора с очень коротким проходом (толщина панели) можно изме­нить настройку передвигаемой шторкой или поворачиваемым козырь­ком, при помощи которых изменяют площадь отверстия. Если пред­полагается перестройка такого фазоинвертора, го отверстие в нем следует сделать на 20—30%  больше рассчитанного.

 

Рис. 48. Конструкции фазоинверторов.

1 — отверстие для громкоговорителя; 2 — от­верстие фазоинвертора; 3 — звукопоглощаю­щее покрытие.

 

Представление о конструкциях фазоинверторов дает рис. 48. Первые две конструкции не нуждаются в пояснениях. В третьей, довольно оригинальной, конструкции излучение звука фазоинвертором осуществляется через единственное отверстие, через которое из­лучает и передняя поверхность диффузора громкоговорителя, уста­навливаемого для этой цели на щите на некотором расстоянии от передней панели фазоинвертора. Расчетным отверстием фазоинвертора является кольцеобразный проход между передней панелью фазоинвертора и щитом, на котором установлен громкоговоритель. Щит необходим не только для образования прохода, но также и для устранения «акустического короткого замыкания» звуков выше ре­зонансной частоты.

Ящик фазоинвертора может быть и не прямоугольной формы. Иногда может оказаться более удобным поместить фазоинвертор в углу помещения; тогда ему придается форма трехгранной призмы.

 

В фазоинверторе могут быть дополнительно установлены высо­кочастотные головки. В этом случае он обратится в двухполосный звукоизлучатель.

Если высокочастотные головки не рупорные, а диффузорные, то их следует изолировать от внутреннего объема ящика жестким колпаком  (кожухом), чтобы устранить возможность воздействия на них звуковых колебаний основного громкоговорителя в области низших частот. При этом должно   учитываться уменьшение объема ящика.

Уменьшение объема особенно существенно при небольших ящиках, объемом до 50 л. В этих случаях следует учитывать и объем; низкочастотной головки и объем прохода вместе с его стенками. Для удобства сообщаем приблизительный объем головок в зависимости от диаметров их диффузоров.

 

 

Если внутренняя поверхность ящика фазоинвертора не покрыта звукопоглощающим материалом, то внутри него на средних частотах может возникнуть интерференция звуковых волн, несколько ухуд­шающая равномерность частотной характеристики громкоговорителя. Поэтому внутреннюю поверхность фазоинвертора частично покрывают звукопоглощающим материалом (заднюю сторону и одну из боковых сторон).

 

Акустический лабиринт. Некоторое распространение за рубежом получила конструкция оформления громкоговорителя, называемом акустическим лабиринтом. В ней задняя сторона диффузора сообщается с окружающей средой через волновод в виде сложной трубы прямоугольного сечения, равного или несколько большего, чем площадь диффузора (рис. 49, а). Когда средняя длина трубы равна половине длины волны излучаемой частоты

наступает резонанс трубы и ее открытый конец (отверстие) излучает синфазно с передней стороной диффузора. При длинах волн которые кратны 0,75 резонансной длины волны, имеет место антирезонанс трубы и снижение звукового давления, создаваемого открытым концом трубы. Если частота основного резонанса громкоговорителя находится на частоте антирезонанса трубы, то это позволяет немного расширить вниз полосу воспроизводимых частот (до 0,75 резонансной частоты громкоговорителя). Для устранения влияния частных резонансов трубы ее стенки должны быть покрыты звукопоглощающим материалом.

 

Рис. 49. Конструкции акустических лабиринтов.

а — прямоугольной формы;  б — радиального  громкоговорителя;  в — совмещен­ного с фазоинвертором.

 

Лабиринт используется и в комнатной конструкции радиального громкоговорителя, как это показано на рис. 49, б. Возможно лаби­ринт использовать вдвойне, заставив его служить одновременно и как фазоинвертор, резонансная частота которого может быть сделана в 2—3 раза ниже резонансной частоты трубы. Этим удается уменьшить нижнюю границу полосы воспроизводимых частот. На рис. 49, в приведен чертеж такого комбинированного лабиринта с тремя громкоговорителями. Его особенностями являются весьма значительный объем, равный 400 л, и только одна продольная пере­городка. Средняя длина трубы 2,44 м, резонансная частота трубы 70 гц (измеренная 80 гц) фазоинвертора, имеющего отверстие пло­щадью 135 см² и проход длиной 15 см, —28 гц (измеренная 20 гц). Частота основного резонанса низкочастотной головки 41 гц.

 

Рупор. Необходимость в расчете и изготовлении рупора у радио­любителей встречается очень редко. Потребность в рупоре может воз­никнуть при изготовлении вы­сокочастотного громкоговори­теля — «пищалки» или элект­ромегафона. В обоих случаях расчет и конструирование ру­пора  весьма   упрощаются тем, что нижняя пропускаемая частота (f_B) обычно выше 500 гц. Для таких частот коэффициент расширения рупора () становится больше 0,2 , т.е. рупор быстро расширяется. Площадь поперечного сечения экспоненциального рупора изменяется по закону:

где S —площадь поперечного сечения рупора на расстоянии х от входного (узкого) отверстии; S₀— площадь входного отверстия (при х = 0); —коэффициент расширения рупора, который можно выра­зить равенством

где f_Н  — нижняя воспроизводимая частота (критическая); — дли­на волны, соответствующая f_Н ; с — скорость звука  (344 м/сек).

Зная площадь входного (узкого) отверстия рупора S₀, которая выбирается равной  1,5—5 см², задаются  длиной рупора l, формой к размерами выходного отверстия, которые определяют его площадь.

Затем из приведенного выше выражения для площади ,  прологарифмировав   последнее —      и заменив натуральный логарифм десятичным, находим для выбранных разме­ров рупора коэффициент расширения:

 или

Рис.   50.   Зависимость коэффициента расширения рупора от низшей вос­производимой частоты.

 

Установив величину коэффициента , можно узнать длину от­резков рупора, при которых площадь его поперечного сечения удваивается. Это произойдет, когда в выражении для площади поперечного сечения рупора член  = 2, тогда показатель степени  — 0,69. Когда коэффициент расширения установлен, нетрудно определить длину отрезков, через которую площадь поперечного сечения рупора будет удваиваться (x=69/). Сечение рупора в любом его месте (при любом х) находится по приведенной выше основной формуле. Можно расчет рупора провести иначе: по рис. 50 в зависимости от требующейся нижней воспроизводимой частоты определяют коэф­фициент расширения рупора  и выбирают площадь входного отвер­стия S₀ и длину рупора l. Затем для этих данных определяют пло­щадь выходного отверстия S и в зависимости от желаемой формы отверстия рассчитывают размеры его сторон. Образцы применяемых экспоненциальных рупоров различной конфигурации приведены на рис. 51. Экспоненциальность рупора может обеспечиваться кривизной (изгибом) как всех сторон рупора, так и части их, т.е. рупор может, например, иметь две плоские стороны и две изогнутые. Рупор может быть и круглого сечения, но изготовить его в любительских условиях много сложнее. Рупор можно сделать из жести толщиной 0,3— 0,5 мм, пропаивая края заготовок, или из пластмассы толщиной 1,2—1,5 мм, склеив края заготовок эпоксидной смолы или клеем для выбранной пластмассы.

При изготовлении рупора следует иметь в виду, что воздушный объем между диффузором (диафрагмой) головки и входным от­верстием рупора, называемый предрупорной камерой, для лучшего воспроизведения звуков высших частот должен иметь наименьшую высоту. Это означает, что входное отверстие рупора должно нахо­диться ближе к диффузору, но так, чтобы диффузор не касался рупора. Для хорошего воспроизведения звуков высших частот не­обходим противоинтерференционный вкладыш.

 

Рис. 51. Экспоненциальные рупоры различной конфигурации.

а – высота входного отверстия; б – ширина выходного отверстия; в – сторона треугольника.

 

<< Назад (к началу 7 раздела)

 

Следующий раздел >>

Раздел 8. Изготовление акустического оформления   и   его особенности