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:

Власть является ключевым фактором счастья в отношениях 11.03.2026

Исследования семейных и романтических отношений показывают, что длительное счастье пары зависит не только от привычных факторов, таких как доверие, уважение и преданность, но и от более тонких психологических аспектов. Современные ученые ищут закономерности, которые отличают действительно счастливые пары от остальных, чтобы понять, какие механизмы поддерживают гармонию в отношениях. Группа исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге и Бамбергского университета провела опрос среди 181 пары, которые состояли в совместных отношениях более восьми лет и прожили вместе хотя бы месяц. Участники заполняли анкету, описывая различные аспекты своих отношений, включая распределение обязанностей, эмоциональную поддержку и степень вовлеченности в совместные решения. Анализ данных показал интересный паттерн: пары, где оба партнера ощущали высокий уровень личной власти, оказывались наиболее счастливыми и удовлетворенными. В данном контексте под властью понимается способност ...>>

Защищенная колонка-повербанк Anker Soundcore Boom Go 3i 11.03.2026

Компания Anker представила новую модель линейки Soundcore - колонку Soundcore Boom Go 3i, ориентированную на активное использование на улице. Новинка отличается высокой степенью защиты: корпус соответствует стандарту IP68, что обеспечивает водо- и пыленепроницаемость, а ударопрочный дизайн выдерживает падение с высоты до одного метра. За качество звука отвечает 15-ваттный драйвер, обеспечивающий пик громкости до 92 дБ, а технология BassUp 2.0 усиливает низкие частоты, делая звучание более насыщенным. Колонка обладает автономностью до 24 часов, а LED-индикатор позволяет контролировать уровень заряда батареи. Кроме того, Soundcore Boom Go 3i может выполнять функцию павербанка: согласно внутренним тестам, устройство способно зарядить iPhone 17 с нуля до 40% за один час, что делает его полезным аксессуаром в походах и поездках. Среди функциональных особенностей модели стоит выделить технологию Auracast, которая улучшает подключение и позволяет создавать стереопару из двух колонок ...>>

Раннее воздержание от алкоголя перестраивает мозг и иммунитет 10.03.2026

Алкогольная зависимость - хроническое расстройство с компульсивным употреблением спиртного, которое влияет не только на поведение, но и на функционирование мозга и иммунной системы. Недавние исследования показали, что даже на ранних этапах воздержания организм начинает перестраиваться, открывая новые возможности для терапии зависимости. Ученые сосредоточились на пациентах, находящихся в первые недели абстиненции, и зафиксировали значительные изменения в мозговой активности. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии они выявили перестройку сетей нейронных связей, отвечающих за контроль импульсов и принятие решений. Эти изменения могут быть ключевыми для восстановления самоконтроля и снижения риска рецидива. Одновременно с нейронной перестройкой исследователи наблюдали колебания иммунной системы. В крови повышался уровень цитокинов - сигнальных белков, регулирующих воспалительные процессы. Эти данные свидетельствуют о существовании нейроиммунного взаимодействия, при ...>>

Случайная новость из Архива Робот-мухолов 10.11.2019 Исследователи из Университета Пердью (США) разработали новый класс мягких роботов и приводов, которые с помощью накопленной упругой энергии могут поймать насекомое всего за 120 миллисекунд. Робот действует так же быстро, как хлесткий язык хамелеона. На создание подобного робота ученых вдохновила природа, а именно - пресмыкающиеся и земноводные: хамелеоны, саламандры и жабы. Эти существа используют накопленную упругую энергию, чтобы запустить свои липкие языки в ничего не подозревающих насекомых. В течение одной десятой секунды язык хамелеона или саламандры может преодолеть расстояние, превышающее полторы длины тела животного. Робот, который напоминает язык хамелеона, изготовлен из растягивающихся полимеров, похожих на резиновые ленты, с внутренними пневматическими каналами, которые расширяются при повышении давления. Эластичная энергия робота сохраняется за счет растяжения его тела в одном или нескольких направлениях в процессе изготовления. Само действие мягкого робота выглядит так: сначала он максимально сжат, скручен в рулон, а затем резко, подобно языку хамелеона, раскручивается, увеличивая свою длину в пять раз, ловит живую муху и возвращается в исходное положение. И все это происходит всего за 120 миллисекунд. У новой технологии есть ряд преимуществ перед другими мягкими роботизированными системами. Во-первых, новый робот легко может хватать, удерживать совершенно разные объекты и манипулировать ими на высокой скорости. Во-вторых, он может использовать упругую энергию, накопленную в его предварительно напряженном эластомерном слое, чтобы удерживать предметы, в 100 раз превышающие его вес, не потребляя никакой внешней энергии. "Мы верили, что если бы мы могли изготовить роботов, способных выполнять такие движения с большой амплитудой на высокой скорости, как хамелеоны, то многие автоматизированные задачи могли бы быть выполнены более точно и намного быстрее", - подчеркнул Рамсес Мартинес (Ramses Martinez), доцент в Школе промышленной инженерии Пердью и в Школе биомедицинской инженерии Уэлдона при Техническом колледже Университета Пердью, ведущий автор работы.

Другие интересные новости:

▪ Юньнаньский синдром

▪ Антибиотики ускоряют рост бактерий

▪ Двустороннее сканирование с HP Scanjet 5590

▪ Вода в стратосфере формирует климат

▪ Вакцинация частицами золота

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Должностные инструкции. Подборка статей

▪ статья Нам королей менять, - о, да! - Совсем не стоило труда! Крылатое выражение

▪ статья Что такое анорексия? Подробный ответ

▪ статья Рами. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Эксплуатация и обслуживание микро гидроэлектростанций. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Воздух брыкается. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026