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:

Польза белкового завтрака 14.01.2026

Правильное питание по утрам играет ключевую роль в поддержании здоровья и контроле веса. Многочисленные исследования подтверждают, что состав завтрака может влиять на аппетит в течение всего дня и качество употребляемой пищи. Австралийские ученые провели масштабный эксперимент, который показал, что употребление белковой пищи с утра помогает дольше чувствовать сытость и предотвращает переедание. В исследовании участвовали более 9 тысяч человек среднего возраста 46 лет. В период с 2011 по 2012 год специалисты анализировали рационы респондентов, оценивая долю основных макронутриентов. В среднем участники потребляли 43% углеводов, 31% жиров, 18% белков, 2% клетчатки и 4% алкоголя. Такой рацион позволил ученым проследить взаимосвязь между утренним приемом пищи и пищевым поведением в течение дня. Выяснилось, что участники, чей завтрак содержал недостаточное количество белка, ощущали повышенный аппетит в течение дня. Они ели больше, чем необходимо, и часто выбирали продукты с высоким со ...>>

Технология SmartPower HDR 14.01.2026

Ноутбуки стремительно развиваются в плане графики и мультимедийных возможностей, но яркие дисплеи с высоким динамическим диапазоном (HDR) часто становятся серьезной нагрузкой для аккумуляторов. Длительная работа с видео высокого качества или играми в HDR приводит к быстрой разрядке батареи, что ограничивает мобильность пользователей и снижает комфорт работы. Решить эту проблему призвана новая технология SmartPower HDR, разработанная совместно компаниями Samsung Display и Intel. Суть технологии заключается в динамическом управлении напряжением OLED-панелей. Чипсет ноутбука в реальном времени анализирует пиковую яркость каждого кадра и передает эти данные контроллеру дисплея, который оптимизирует подачу напряжения в зависимости от количества активных пикселей. В отличие от традиционных режимов HDR, где яркость часто фиксируется на максимальном уровне, SmartPower HDR адаптируется к конкретному контенту, что снижает энергопотребление без потери качества изображения. Технология позвол ...>>

Недосып существенно сокращает жизнь 13.01.2026

Сон является одной из самых фундаментальных потребностей человека. Он влияет на обмен веществ, работу сердца и мозга, иммунитет и общее самочувствие. Современный ритм жизни часто заставляет людей жертвовать сном ради работы, учебы или развлечений, но ученые предупреждают: регулярный недосып может иметь далеко идущие последствия для здоровья и долголетия. Исследователи из Орегонского университета здравоохранения и науки пришли к выводу, что сон менее семи часов в сутки связан с сокращением продолжительности жизни. По данным специалистов, хроническая нехватка сна не только вызывает усталость и снижение работоспособности, но и постепенно сказывается на здоровье органов и систем, увеличивая риски развития различных заболеваний. Для анализа ученые использовали обширную национальную базу данных США, сопоставляя показатели ожидаемой продолжительности жизни на уровне штатов с результатами опросов Центров контроля и профилактики заболеваний за период с 2019 по 2025 годы. Они учитывали мно ...>>

Случайная новость из Архива Пиво на основе экзотических дрожжей 01.07.2024 Исследование в области пивоварения продолжает удивлять и радовать ценителей напитка благодаря совмещению древних штаммов пивных дрожжей с неизведанным генетическим материалом, обнаруженным в далеких лесах Патагонии, Чили. В течение последних пяти веков для варки пива использовались всего два штамма дрожжей: Saccharomyces cerevisiae (обычный) и Saccharomyces eubayanus (дикий, приспособленный к низким температурам). Эти штаммы были выбраны за их способность придавать пиву характерные вкус и аромат. Однако ограниченное генетическое разнообразие привело к тому, что пивовары не могли создавать новые вкусы, которые так жаждала публика. В ответ ученые обратились к диким одноклеточным грибам S. eubayanus, найденным в Патагонии и других уголках мира, включая Китай. С помощью лабораторных экспериментов были созданы новые гибриды этих дрожжей, которые продемонстрировали высокую эффективность ферментации. Новые виды пива, произведенные на основе этих гибридов, отличались уникальным ароматическим профилем и повышенным содержанием алкоголя, что открывает новые перспективы для индустрии светлых пивных напитков. Открытие новых возможностей в сфере пивоварения подчеркивает важность генетического многообразия для развития новых вкусов и ароматов в популярном напитке. Эти новые гибриды дрожжей не только позволяют пивоварам экспериментировать с ассортиментом светлого пива, но и стимулируют дальнейшие исследования в области генетики дрожжей для улучшения качества и разнообразия пива на мировом рынке.

Другие интересные новости:

▪ Смартфон заглушает чувство одиночества у человека

▪ Графен из древесины

▪ Игровой монитор ASUS VG278HV

▪ Растения выращены в лунном грунте

▪ В космосе впервые испекли печенье

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Часы, таймеры, реле, коммутаторы нагрузки. Подборка статей

▪ статья Государственная машина. Крылатое выражение

▪ статья Откуда появился миф о массовых самоубийствах леммингов? Подробный ответ

▪ статья Мастер аварийно-спасательных, судоподъемных, подводно-технических и других специальных работ. Должностная инструкция

▪ статья Универсальный частотный модем. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Зарядное устройство со стабилизацией тока. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026