Конструирование громкоговорителя с ортогональными потоками излучения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Акустические системы

 Комментарии к статье

В статье предложен вариант упрощенного расчета конструкции громкоговорителя с ортогональными потоками прямого и обратного излучения. Об особенностях работы этого громкоговорителя рассказано в статье "Акустическое короткое замыкание в громкоговорителе и его преодоление" ("Радио", 2003, № 1). Одно из достоинств такого акустического оформления - резонансная частота головки НЧ в ящике практически не повышается.

Одним из вариантов преодоления акустического короткого замыкания в АС с электродинамическими головками является предложенное автором [1] конструктивное оформление с ортогональным прямому излучению потоком обратного излучения (для краткости назовем такое оформление типа "ORTHO"). Акустические волны обратного (тыльного) излучения головки, распространяющиеся в объеме корпуса АС, в процессе отражения изменяют свое направление на угол до 270° на всех излучаемых частотах и приобретают временную задержку по отношению к фронтально излучаемым волнам (векторы А и В на рис. 1). Если волновод обратного излучения головки исключить, то при открытом АО возникнет акустическая компенсация колебаний, излучаемых внешней и тыльной поверхностями диффузора громкоговорителя. В корпусе и особенно в волноводе громкоговорителя целесообразно сгладить углы "обтекателями", как показано на рис. 1 штриховыми линиями.

Передняя панель 2 размещена в корпусе 1 под некоторым углом так, чтобы сглаживать акустические резонансы, возникающие при отражении акустических колебаний в поперечной плоскости корпуса, а также для согласования внутреннего объема с волноводом. Установка деки концертного аккордеона под углом, отличным от прямого, впервые была использована немецкой фирмой HOHNER еще в конце 30-х годов прошлого века. Такая "ломаная" дека, формируя тембр инструмента, придает звучанию мягкость и бархатистость.

В громкоговорителях с ортогональными потоками прямого излучения головки и волновода суммарное излучение можно рассматривать как звуковые колебания от некоего эквивалентного излучателя. Например, для гармонических сигналов на разных частотах действуют переменные фазы ортогонального потока акустических колебаний, и в результате возникают выраженные направления ("полюсы") суммарного излучения (его математический анализ весьма сложен). Из-за неоднозначности фазы обратного излучения и различного затухания в волноводе (для широкой полосы частот) полюсы подвижны и поэтому не локализуются на слух.

Формулы для расчета известных вариантов АО [2, 3] оказались непригодными при конструировании громкоговорителей, предложенных в статье [ 1 ]. При поиске удобной и наглядной методики расчета конструкции было решено взять за основу проектирования внешний диаметр D электродинамической головки и выразить все размеры конструкции громкоговорителя через этот параметр. Это оказалось очень удобным для практики конструирования, когда нет соответствующей технической литературы.

В результате большого объема экспериментальных работ установлены зависимости, используя которые, можно определить любой размер корпуса громкоговорителя "ORTHO".

Обозначения приведены в соответствии с рис. 1:

Н = (2...2,4)D - высота ящика; В = 1,2D - ширина передней панели; F = 0,9D - высота экрана волновода 3; h = 0,7D - расстояние от центра головки 5 до нижней кромки передней панели; Do - 0,9D - диаметр отверстия под головку; G = В - глубина корпуса 1; С = 1,8D - высота панели 2; М - расстояние между передней панелью и стенками ящика; b - толщина материала корпуса; S ≥ 0,5D2= М(В - 2Ь) - допустимая площадь проходных сечений волновода 3.

На панель 2 можно установить две и более динамических головок, тогда размеры корпуса придется скорректировать с учетом соотношений площади диффузоров и сечения волновода.

В отличие от закрытого корпуса, в этой конструкции акустическое воздействие тыльного звукового потока слабее, потому что практически вся акустическая энергия обратного излучения головки выходит через волновод в озвучиваемое пространство. В связи с этим в качестве материала для громкоговорителя можно использовать древесностружечную плиту (ДСП) или фанеру толщиной 8... 16 мм (больший размер указан для громкоговорителя мощностью 100 Вт). Это позволяет снизить массу корпуса АС. Его элементы связаны между собой с помощью реек, клея, пригодного для склеивания дерева, и шурупов. Диаметр отверстия Do под головку выбирают равным внешнему диаметру гофра диффузора. Отверстие располагают по вертикальной оси симметрии передней панели.

Решетку для громкоговорителя и отделку корпуса можно выполнить исходя из художественного вкуса и возможностей радиолюбителя. Для защитной решетки автор использовал мелкоячеистую сетку, вырезанную в виде квадрата и натянутую на точечных опорах. Защитную ткань приклеивают к металлическому кольцу, закрепленному внутри отверстия в панели. Тыльная крышка 6 должна быть жесткой; ее закрепляют шурупами к рейкам 7, установленным на стенках корпуса 1. При этом сопрягаемые поверхности уплотняют лентой из тонкой листовой резины. Под корпусом 1 имеются опоры 4 из брусков жесткой резины. Заметим, что установка корпуса громкоговорителя на подставку высотой до 1 м предпочтительнее размещения его непосредственно на полу. Акустическое оформление типа "ORTHO" достаточно эффективно для установки в стене и даже на потолке.

Громкоговорители АС могут быть выполнены пассивными или активными (с встроенными УМЗЧ). Электрические разъемы устанавливают в нижней части задней стенки.

Особо следует сделать некоторые замечания по выбору головок для таких громкоговорителей. Автор рекомендует использовать отечественные динамические головки, перечень и технические характеристики которых можно найти в [4]. В сравнении с известными типами АО, построенный громкоговоритель типа "ORTHO" развивает в ближнем пространстве почти удвоенную акустическую мощность. За счет получения двух ортогональных потоков излучения такое акустическое оформление позволяет получить в помещении прослушивания более "объемное" звучание.

Если головка 5 (НЧ-СЧ) недостаточно широкополосная, на внешний экран волновода можно установить высокочастотную динамическую головку, подключаемую к УМЗЧ через ФВЧ. Там же можно установить и индикатор перегрузки АС.

В таком громкоговорителе можно устанавливать электродинамические головки диаметром от 100 до 450 мм. Автор рекомендует использовать широкополосные головки с низкой механической добротностью и большим диаметром диффузора. Если головка имеет заметный подъем АЧХ на частоте электромеханического резонанса, то изготовитель АС должен понимать, что этим создает себе много ненужных хлопот и работ.

Подавление резонанса можно осуществить электрически и механически. В первом случае последовательно с катушкой головки должен быть включен параллельный колебательный контур, настроенный на частоту электромеханического резонанса. Добротность контура должна соответствовать добротности используемой головки. Чтобы выполнить соответствующие измерения, нужно иметь генератор звуковых частот, вольтметр, конденсаторный микрофон, частотомер, измеритель индуктивности и емкости, используя методику по ГОСТ 16122-70. Но следует иметь в виду, что добротность головки - величина отнюдь не постоянная; она зависит от амплитуды колебаний диффузора и ограниченной гибкости механического подвеса.

Другой способ подавления электромеханического резонанса осуществляют введением в громкоговоритель акустических потерь, наполняя корпус ватой, войлоком или другими подобными материалами, либо резонаторов, настроенных на частоту электромеханического резонанса громкоговорителя.

Расчет частоты резонатора Гельмголыда проводят по формуле

fr = 0,5/π-Cv√s/(Vl),

где V - объем корпуса резонатора, м³; s - площадь выходного отверстия резонатора, м2; l - длина отверстия резонатора в метрах; Cv - скорость распространения звука в воздухе, 340 м/с.

По своей конструкции резонатор Гельмгольца напоминает бутылку. Кстати, корпус АС, снабженный фазоинвертором, также представляет собой резонатор. Именно это и приводит к искажению воспроизведения низкочастотных звуков, излучаемых АС. Встроенный резонатор был установлен в АС радиолы "Симфония", которая воспроизводит низкие частоты весьма однообразно: в виде бухающих звуков, независимо от типа музыкального инструмента. Это, по-видимому, и привело к отказу от использования такой конструкции АС, которая применялась еще в 30-е годы прошлого века в радиоприемниках, имеющих открытый корпус [6].

Громкоговоритель "ORTHO" излучает фактически два звуковых потока: А и В (рис. 1). Следовательно, и акустические измерения должны отличаться от общепринятой методики, определенной указанным выше ГОСТом. Звуковое давление каждого потока измеряют порознь в безэховой камере, большом заглушённом помещении или просто на воздухе в тихую погоду с использованием перечисленной выше аппаратуры. Размещение измерительного микрофона и громкоговорителя показано на рис. 2, а структурная схема стенда для измерения характеристической чувствительности (эффективности) громкоговорителя измерения АЧХ приведена на рис. 3.

В качестве генератора сигналов, возбуждающих громкоговоритель, можно использовать мощный генератор шума, например, типа Г2-12, имеющий низкоомный выход. Если использовать маломощный генератор шума, то необходим УМЗЧ, лучше бестрансформаторный. Следует иметь в виду, что форма АЧХ АС будет значительно сглаженной, что вполне соответствует действительному положению дел, поскольку спектры речи и музыки являются широкополосными, а сигналы подобны шумовым.

Расстояние между громкоговорителем и измерительным микрофоном выбирают в пределах r = (2...4)d, где d - средний размер диффузора громкоговорителя. Чаще всего используется r = 1 м [2].

Напряжение, подводимое к громкоговорителю, вычисляют по формуле

U=√0,1PномRhom, (3)

где Pном - номинальная мощность громкоговорителя; Rhom - номинальное входное сопротивление громкоговорителя.

При испытаниях на номинальную мощность синусоидальное напряжение устанавливают равным номинальному, а шумовое - 0,707 от номинального.

Измерителем звукового давления является конденсаторный микрофон ВМ1, подключенный к входу милливольтметра PV2 (например, ВЗ-33). Звуковое давление зависит от частоты, поэтому измерения проводят не менее чем в десяти точках АЧХ. Если измерения проводят с помощью шумовых сигналов, то в измерительный стенд по схеме на рис. 3 вводят третьоктавныи фильтр, на средней частоте которого и производят измерения звукового давления. Число этих фильтров определяется шириной АЧХ. Если на АЧХ имеются провалы и пики уже 1/8 октавы, их в расчет не принимают.

Величина измеренного акустического давления определяется по формуле

р = Uo/Eoc,

где Uo - напряжение на выходе измерительного микрофона, мВ; Eoc - чувствительность измерительного микрофона вдоль оси на измеряемой частоте, мВ/Па.

Для повышения точности измерений желательно, чтобы диаметр микрофона был бы как можно меньше, потому что приближает метод к измерениям в плоской волне. Использование электродинамических микрофонов, имеющих большую неравномерность АЧХ, позволяет получить результаты измерений, носящих только качественный характер. Несколько лучшими характеристиками обладают электретные конденсаторные микрофоны, а также ленточные. Измерительный микрофон должен иметь паспорт, выданный метрологической организацией. Среднее звуковое давление по полученной АЧХ определяют по формуле

где рк - звуковое давление, развиваемое громкоговорителем на частоте fk или средней частоте k-го третьоктавного фильтра; п - число частот или полос измерения (их должно быть не менее 10).

При неравномерности частотной характеристики менее 12 дБ среднеарифметическое значение определяется по формуле

Характеристическую чувствительность громкоговорителя Ех, полученную на расстоянии 1 м на рабочей оси между измерительным микрофоном и громкоговорителем (при подводимой мощности 1 Вт), определяют по формуле

Еx = Рср/(l√P), где рср - среднее звуковое давление, Па, развиваемое громкоговорителем в номинальном диапазоне частот; l - расстояние от рабочего центра головки до измерительного микрофона, м; Р - электрическая мощность, Вт, подаваемая на громкоговоритель.

Эффективно воспроизводимый диапазон частот находят по АЧХ громкоговорителя путем определения частот, соответствующих точкам пересечения прямой, параллельной оси частот, с частотной характеристикой громкоговорителя. Прямую линию проводят на 10 дБ ниже среднего звукового давления в октавной полосе частот pср.окт, соответствующей максимальной чувствительности громкоговорителя. Этот уровень определяют по формуле

где ро = 2-10^-5 Па - порог слышимости на частоте 1000 Гц.

Для синусоидального сигнала количество точек отсчета должно быть не менее 7 (через 1/6 октавы), для третьоктавных фильтров - не менее 3.

Неравномерность АЧХ определяют в номинальном и рабочем диапазонах частот.

Характеристику направленности получают в заглушенной камере или на открытом воздухе путем поворота АС относительно неподвижно установленного измерительного микрофона на расстоянии 1 м через 5-10° в диапазоне значений 0-360°. Ширину характеристики направленности определяют по графику на уровне 0,707 (-3 дБ). Направленность определяют на одной или нескольких частотах либо на средних частотах третьоктавных фильтров при проведении измерений на шумовых сигналах.

Как следует из указанного выше, для квалифицированной оценки параметров АС или АО нужно провести значительный объем метрологических работ и вычислений. Если учесть, что для оценки эффективности акустического оформления необходимо измерить электроакустический коэффициент полезного действия

Kea=Pa/Pe

где Ра - акустическая мощность; Ре - входная электрическая мощность, то число измерений оказывается достаточно большим.

Акустическую мощность можно определить по формуле

Ра = 4πр²r²рсko,

где р - акустическое давление на расстоянии r, Па; р - плотность воздуха; с - скорость распространения звука, равная 340 м/с; К, - коэффициент концентрации, который можно принять равным 1 ...3 в зависимости от частоты.

При конструировании громкоговорителя типа "ORTHO" следует иметь в виду, что перечисленные выше электроакустические параметры в значительной степени зависят от применяемых динамических головок. Если головка, допустим, не воспроизводит низких частот, то никакая конструкция корпуса не сможет компенсировать этот недостаток. Такое акустическое оформление не "портит" АЧХ громкоговорителя, и это оказывается одним из решающих преимуществ по сравнению с известными конструкциями АС. В предложенном акустическом оформлении можно применять головки с диффузорами круглой, прямоугольной или эллиптической конфигурации. Установив на переднюю панель две головки, можно увеличить номинальную мощность, сопротивление излучения, снизить неравномерность АЧХ.

Литература

1. Носов В. Н. Акустическое короткое замыкание в громкоговорителе и его преодоление. - Радио, 2003, № 1, с. 14-16.
2. Иофе В. К., Корольков Б. Г., Сапожков М. А. Справочник по акустике. - М.: Связь, 1979
3. Акустика. Справочник. Под ред. М. А. Сапожкова. - М.: Радио и связь, 1989.
4. Бурко В. Г., Лямин П. М. Бытовые акустические системы. Справочное пособие. - Минск, Беларусь, 1996.
5. Носов В. Н. Новый подход к проектированию звуковых систем. Сборник трудов X сессии Российского акустического общества, том 2. - М.. 2000, с. 177-185.
6. Олсон Г. и Масса Ф. Прикладная акустика. - М.: Гос. издательство по вопросам радио, 1938, с. 171, рис. 27.

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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива 200-мегапиксельный датчик Samsung ISOCELL HP3 27.06.2022 Компания Samsung анонсировала новый 200-мегапиксельный датчик изображения под названием ISOCELL HP3, который получил рекордно маленькие пиксели размером всего 0,56 мкм, что на 12% меньше, чем у предшественника. Samsung ISOCELL HP3 предложит более быструю автофокусировку и более качественный HDR благодаря новому алгоритму наложения изображений. Новый датчик появился через девять месяцев после ISOCELL HP1, который технически является первым 200-мегапиксельным датчиком для смартфонов, хотя пока что на рынке нет ни одного смартфона с ним. С тех пор Samsung удалось уменьшить размер пикселя с 0,64 мкм до 0,56 мкм, а оптический формат теперь 1/1,4 дюйма - примерно на 20% меньше, чем у предшественника. Технология объединения информации из четырех соседних пикселей позволяет делать качественные 50-мегапиксельные фотографии. Для фотографий в ночное время суток есть поддержка биннинга 16:1 и фотографий разрешением 12,5 Мп. Samsung также похвасталась своим новом решением для автофокусировки Super-QPD. Сенсор также может снимать видео 8K со скоростью 30 кадров в секунду и 4K со скоростью 120 кадров в секунду с "минимальными потерями в поле зрения". Усовершенствованная функция Smart-ISO Pro теперь объединяет информацию из трех режимов - низкого, среднего и высокого ISO для повышения качества HDR. ISOCELL HP3 позволяет получать изображения с 4 триллионами оттенков цветов (глубина 14 бит), что в 64 раза больше, чем у предшественника HP1, который поддерживал 68 миллиардов оттенков. Samsung готова предоставить образцы ISOCELL HP3 производителям смартфонов и ожидает, что массовое производство соответствующих телефонов начнется в этом году.

Другие интересные новости:

▪ Аккумулятор из медной пены

▪ Восстановление зрения с помощью беспроводных имплантов

▪ BALF-NRG-01D3 - балун для беспроводных BLE-устройств

▪ Эффективный аккумулятор с литиевым анодом

▪ Экзоскелет Hypershell ProX

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электробезопасность, пожаробезопасность. Подборка статей

▪ статья Условные обозначения SMD-транзисторов. Справочник

▪ статья Что такое слюна? Подробный ответ

▪ статья Заведующий канцелярией. Должностная инструкция

▪ статья Металлоискатель с повышенной чувствительностью на транзисторах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Велосипед и винтовочная пуля. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026