Акустическое короткое замыкание в громкоговорителе и его преодоление. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Акустические системы

 Комментарии к статье

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.

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 р 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:

Ра = p2V/Tc 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.

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/VBt-m 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].

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 заглушённом помещении с помощью звукового генератора ГЗ-33, вольтметра ВЗ-33, частотомера 43-32 и прецизионного измерителя шумов типа 00017 с конденсаторным микрофоном типа МКД.

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/VBt-m при неравномерности до 26 дБ. В корпусе помещен звукопоглощающий материал. Звучание этой АС не отличается высоким качеством.

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/VBt-m 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!

На рис. 5,6 приведена АЧХ громкоговорителя по вектору В, из которой следует, что полоса излучаемых частот равна 50..J6000 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

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

Автор: В.Носов, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Акустические системы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива Интернету для роботов предрекли взрывной рост 08.10.2016 По оценке экспертов Research and Markets, объем рынка интернета роботизированных вещей (Internet of Robotic Things - IoRT) к 2022 г. достигнет объема в $21,44 млрд с совокупным среднегодовым темпом роста (CAGR) 29,7% в период с 2016 по 2022 гг. Рост рынка, по словам экспертов, будет обусловлен вхождением IoRT в бизнес электронной коммерции, а также расширением области применения за счет интеграции роботов с различными технологиями, короткими сроками окупаемости проектов и рентабельностью инвестиций. Эксперты отмечают, что наиболее высокие показатели роста IoRT будут отмечаться в сфере совместных промышленных роботов, работающих в контакте с людьми - одной из самых свежих тенденций в промышленной автоматизации. Сегодня совместные роботы используются в различных промышленных сегментах, помогая рабочим при сварке, покраске, сортировке и в других задачах. Кроме того, по словам экспертов, в 2015 г. значительный рост продемонстрировал такой сегмент IoRT, как домашние роботы. "Перспектива будущего - некое подобие робота-дворецкого, который будет служить людям, помогая им в повседневных обязанностях в качестве компаньона, освобождая от тяжелой и монотонной работы", - пояснили в Research and Markets. В качестве драйверов роста сегмента отмечаются способность домашних роботов к самообучаемости, старение населения Земли и урбанизация. Напомним, ранее сразу несколько крупных компаний заявили о собственных разработках в сфере домашнего искусственного интеллекта. К примеру, основатель Facebook Марк Цукерберг намерен создать робота-помощника. По словам Цукерберга, он будет управляться при помощи голосовых команд. Он поможет главе Facebook управлять домашней техникой, включая музыкальные системы, освещение и так далее, а на работе будет помогать Цукербергу визуализировать необходимые данные, чтобы управлять компанией более эффективно. В текущем году искусственный интеллект Deep Mind компании Google фактически совершил интеллектуальную революцию, впервые обыграв человека в игру го, есть много других примеров. Помощник по дому будет скорее программным решением, нежели механизмом или же андроидом. Согласно международному исследованию Ericsson Connected Home, в России более 50% людей хотели бы иметь в своем распоряжении интегрированное решение, которым можно было бы управлять с одного устройства. Уже сейчас на рынке есть много разнообразных компонентов, но все они управляются из разных приложений, а самое главное - практически никак не взаимодействуют друг с другом. В такой ситуации от них будет мало проку. Сначала необходимо создать цельную экосистему умного дома, где одни компоненты связаны с другими. Следующим шагом станет интеграция в эту сеть некоего домашнего искусственного интеллекта, который сможет управлять всеми устройствами.

Другие интересные новости:

▪ Удары астероидов по Земле

▪ Робот-пылесос BotVac от Neato Robotics

▪ Скрипка Страдивари из древесных грибов

▪ Тысячи молекул объединили в единое квантовое состояние

▪ Недорогая замена алмазу

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Важнейшие научные открытия. Подборка статей

▪ статья Мошенник на мошеннике сидит и мошенником погоняет. Крылатое выражение

▪ статья Как голуби помогают медикам и наркодельцам? Подробный ответ

▪ статья Работа на одноножевых бумагорезальных машинах. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Активная KB антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Двухдиапазонная УКВ антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

All languages of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua
2000-2024