<< Пред.           стр. 5 (из 6)           След. >>

Список литературы по разделу

 
 
  Преимущества электростатических головных телефонов:
  1. Малая масса и однородность мембраны (вследствие отсутствия напыленной катушки) и возможность получить высокую акустическую проницаемость неподвижных электродов позволяют получить точное однородное движение мембраны и бездифракционную доставку звука в ухо.
  2. Высокое входное сопротивление хорошо согласуется с ламповыми усилителями, пользующимися авторитетом у аудиофилов.
  3. Очень немного мощности переводится в тепло (причина потерь энергии - только трение в мембране), что означает высокий коэффициент полезного действия (КПД), если понимать его как отношение излученной мощности к потребленной.
  Недостатки:
  1. Вероятность хруста мембраны хоть и меньше, но сохраняется.
  2. Необходим источник поляризующего напряжения и либо дифференциальный трансформатор, либо специальный усилитель. Обычно электростатические головные телефоны комплектуются собственным усилителем, поскольку все равно к телефонному усилителю по большому счету предъявляются специфические и в отношении искажений весьма жесткие требования с учетом отсутствия реверберационной фильтрации.
  Практически по электростатическому принципу строятся только дорогие модели головных телефонов, например, фирм Stax, Grado.
  Электретные головные телефоны
  Электретные головные телефоны отличаются от предыдущих тем, что поляризующее напряжение создается не внешним источником, а зарядом мембраны.
  Недостаток: через несколько лет заряд мембраны заметно уменьшается.
  АЧХ закрытых и открытых давления головных телефонов
  Головные телефоны можно разбить на две группы с качественно различающимися АЧХ: головные телефоны, у которых пространство, ограниченное наружным ухом и преобразователем, не сообщается со средой (закрытые и открытые давления головные телефоны), и головные телефоны, у которых это пространство со средой сообщается (открытые скоростные). Рассмотрим вначале АЧХ закрытых и открытых давления головных телефонов. Их упрощенная конструкция, механическая и эквивалентная электрическая схемы представлены на рис. 2.20. В случае, если головной телефон закрытый, упругость с включает и упругость воздуха в корпусе головного телефона.
 
 
 а) б) в)
 
 Рис. 2.20 ? Конструкция (а), механическая схема (б), эквивалентная электрическая схема (в) закрытых и открытых давления головных телефонов
 
  Волновыми процессами, а следовательно, и массой воздуха в наружном ухе пренебрегаем. Давление газа на все точки ограничивающей его поверхности одинаково, поэтому давление на барабанную перепонку равно силе Fv (рис. 2.20, в), прикладываемой к объему газа подвижной системой, отнесенной к площади S, на которой взаимодействует подвижная система с газом:
  .
  На низких частотах площадь S можно считать равной площади подвижной системы. Сила Fv не равна силе электрического происхождения F, прикладываемой к подвижной системе, поскольку часть силы F уравновешивается силой упругости и трения подвеса, а также силой инерции массы подвижной системы. Исходя из эквивалентной схемы головного телефона:
  .
  Сила, прикладываемая к подвижной системе излучателя, равна F=K·i. Таким образом
  .
  Последовательно соединенные гибкости сv и с заменим эквивалентной гибкостью :
 
  . (2.13)
  Из последней формулы следует, что АЧХ закрытых телефонов соответствует ФНЧ второго порядка с частотой перегиба ?0. Увеличению чувствительности способствует увеличение K и гибкости подвеса. Влияние площади излучателя на чувствительность неоднозначное: с уменьшением площади увеличивается и "ощущаемая" излучателем гибкость газа cv, поэтому вторая дробь в (2.13) уменьшается. В связи с этим при выборе площади излучателя лучше ориентироваться на уменьшение амплитуды колебаний подвижной системы с ростом площади и, соответственно, меньшие искажения.
  АЧХ электродинамических головных телефонов давления
  Подставим в (2.13) выражение для К электродинамических преобразователей и получим:
  .
  Для получения равномерной АЧХ необходимо, чтобы ?0 значительно превышала верхнюю рабочую частоту. Это может быть достигнуто уменьшением массы подвижной системы и снижением гибкости подвеса (последнее, однако, снижает чувствительность). Получить высокую ?0 сложно, поэтому закрытые головные телефоны имеют проблемы с АЧХ на верхних частотах. Практически, однако, начиная с некоторой частоты, возникают резонансные явления в наружном ухе, и ?0 намеренно может быть смещена в звуковую область для дополнительного управления АЧХ.
  Важно также отметить, что давление, создаваемое электродинамическим головным телефоном, физически обусловлено током через катушку, а не напряжением на ней. С точки зрения линейных и нелинейных искажений, небезразлично, от источника с каким внутренним сопротивлением питаются преобразователи. Ряд исследований показывает, что нелинейные искажения электродинамических излучателей минимальны при сопротивлениях источника, больших или равных сопротивлению катушки.
  АЧХ электростатических головных телефонов давления
  В пренебрежении внесенным электрическим сопротивлением:
 
  .
  Также ?0 должна быть выше верхней рабочей частоты, но pзв физически определяется напряжением на обкладках, а не током.
  АЧХ открытых скоростных головных телефонов
  Открытые скоростные головные телефоны характеризуются тем, что между излучателем и ушной раковиной имеется промежуток (воздушный или заполненный акустически проницаемым или полупроницаемым материалом). В эквивалентной схеме скоростных головных телефонов (рис. 2.21) добавляются механическое сопротивление излучения в среду rизл и присоединенная масса mП. За счет стравливания давления образуется спад АЧХ на низких частотах. Таким образом, АЧХ в целом приобретает вид тупого колокола на средних частотах.
  АЧХ скоростных головных телефонов на уровне формул рассматривать не будем.
 
 
 Рис. 2.21 ? Эквивалентная схема открытых скоростных
 головных телефонов
 
  2.5 Громкоговорители
 
  Громкоговоритель (громкоговорящее устройство, акустическая система (АС)) [12-16] - устройство для излучения звука в окружающую воздушную среду. Это оконечное и самое важное электроакустическое устройство: весь процесс записи и производства фонограммы нужен только для того, чтобы когда-нибудь воспроизвести ее (головные телефоны, при помощи которых также возможно воспроизведение фонограммы, создают довольно условные звуковые образы). Можно, конечно, сказать, что громкоговоритель - самое слабое звено электроакустического тракта (действительно, нелинейные искажения могут превышать 10%, неравномерность АЧХ быть больше 10 дБ, временные искажения ? превышать 10 мс), но это не совсем верно. Вообще неочевидно, что АС должна воспроизводить электрический сигнал таким, каким он на нее подается (хотя бы потому, что не совпадают размерности подаваемого одномерного электрического сигнала и излучаемого трехмерного поля). Поэтому красиво и естественно звучащая АС - это своего рода музыкальный инструмент.
  Громкоговоритель состоит из трех частей.
  1. Головка громкоговорителя (ГГ) - собственно электроакустический преобразователь, включающий подвижную систему, подвергающуюся действию сил электрического происхождения. В состав громкоговорителя может входить одна или несколько головок, однотипных или различных по конструкции.
  2. Акустическое оформление - совокупность акустически непроницаемых или полупроницаемых конструкций, образующих панель, ящик, рупор и т.д., с целью обеспечения эффективного излучения с нужной характеристикой направленности. Поскольку иногда дополнительное к головке громкоговорителя акустическое оформление почти или вовсе отсутствует (например, в электростатических громкоговорителях), то термин "громкоговоритель" применяют и по отношению к головкам громкоговорителя.
  3. Часть громкоговорителей включает электрические фильтры и/или корректоры для разделения сигналов в многополосных системах и корректирования АЧХ и ФЧХ громкоговорителя.
  Будем рассматривать эти части по порядку.
 
  2.5.1 Головки громкоговорителя
  Классификация по способу излучения
  1. Непосредственно в окружающую среду (прямого излучения).
  2. Через рупор (рупорные).
  Классификация по полосе частот
  1. Широкополосные - для работы во всем звуковом диапазоне.
  2. Низкочастотные (рабочий диапазон частот от 20..60 Гц до 500..1000 Гц).
  3. Среднечастотные (рабочий диапазон частот от 200..500 Гц до 5000..8000 Гц).
  4. Высокочастотные (рабочий диапазон частот от 1..5 кГц до 16..30 кГц).
  5. Инфранизкочастотные, называемые также сабвуферами (от англ. subwoofer).
  6. Ультразвуковые.
  Классификация по принципу преобразования
  1. Электромагнитные (подвижный магнитопровод).
  2. Электродинамические (подвижная катушка).
  2.1. Магнепланарные.
  3. Электростатические.
  4. Пьезоэлектрические.
  5. Магнитострикционные.
  6. Ионные.
  Рассмотрим устройство головок громкоговорителей каждого типа.
 
  2.5.2 Электромагнитные громкоговорители
 
  Первые громкоговорители [17] были электромагнитными и по принципу действия не отличались от электромагнитных головных телефонов, но для обеспечения достаточной громкости звука необходимо было обеспечить б?льшую площадь излучения. Это достигалось либо при помощи рупора (рис. 2.21, а), либо при помощи диффузора (рис. 2.21, б).
 
 а) б)
 Рис. 2.22 ? Электромагнитные громкоговорители:
 рупорный "ДП" (а) и прямого излучения "Рекорд" (б)
  К преимуществам электромагнитных громкоговорителей относится хорошее согласование с высокоомными источниками сигнала, т.к. стационарная катушка может содержать большое число витков. Недостатком является то, что подвижная система должна содержать магнитный материал, имеющий большую массу.
  Промежуточное положение между электромагнитными и электродинамическими занимают излучатели с наведенным током. Конструктивно они представляют собой неподвижный магнит с катушкой, а подвижная часть содержит короткозамкнутую катушку, как правило одновитковую, в виде кольца из легкого металла. Неподвижная катушка, намотанная на керне, наводит в подвижной катушке ток идентичного направления, и подвижная катушка отталкивается от неподвижной. Преимущество такой конструкции состоит в облегчении двигающей части подвижной системы и отсутствии необходимости токоподвода к подвижной части (ненадежного и являющегося потенциальным источником дребезга).
 
  2.5.3 Электродинамические громкоговорители
 
  Электродинамические громкоговорители являются в настоящее время самыми употребительными. Чаще всего излучающая часть подвижной системы выполняется либо в форме купола (купольные громкоговорители), либо в форме конуса (конусные громкоговорители).
  Купольные электродинамические громкоговорители
  Купольные электродинамические головки громкоговорителя принципиальных отличий по конструкции от микрофонных и телефонных электродинамических капсюлей с сосредоточенной катушкой не имеют (рис. 2.13). В связи с тем, что подвижная система подвешивается только в одном месте, купольные головки не могут иметь большой диаметр (более 7...10 см). А т.к. малый диаметр излучателя обязывает к большому ходу (увеличивающемуся с понижением частоты), то купольные головки используются только как:
  1) ВЧ и реже СЧ (не ниже 500 Гц) преобразователи прямого излучения;
  2) в рупорных излучателях, т.к. там рабочие смещения подвижной системы гораздо меньше.
  Варианты конструкции:
  1. Подвес может выполняться не из материала купола, а из гибкого нехрустящего материала. Вообще подвес (включая токопроводы через него к катушке) является "узким местом" купольных головок.
  2. Цилиндр, на котором намотана катушка, может выполняться удлиненным и подвешиваться в двух местах (рис. 2.23): при помощи шайбы 8 и собственно подвеса 9. Это позволяет иметь больший ход без перекоса подвижной системы, а следовательно, меньшую нижнюю граничную частоту.
  3. В керне может выполняться отверстие для увеличения гибкости воздуха под куполом. Это снижает резонансную частоту и уменьшает деформационные усилия, приложенные к куполу.
 
 
 Рис. 2.23 ? Конструкция купольной электродинамической головки громкоговорителя прямого излучения: 1 - диффузор, 2 - сетка, 3 - медный колпачок, 4 - верхний фланец, 5 - кожух, 6 ? звуковая катушка, 7 - вкладыш,
 8 - шайба, 9 - подвес, 10 - нижний фланец, 11 - магнит, 12 ? керн
 Конусные электродинамические громкоговорители прямого излучения
  Устройство конусной головки громкоговорителя показано на рис. 2.24.
 
 Рис. 2.24 ? Устройство конусной электродинамической головки громкоговорителя прямого излучения: 1 - диффузор, 2 - гофр,
 3 - центрирующая шайба, 4 - катушка, 5 - магнит, 6 - керн, 7 - фланец,
 8 - диффузородержатель, 9 - пылезащитный колпак
 
  Головка состоит из магнитной цепи 5, 6, 7, в рабочем зазоре которой находится катушка 4, намотанная на бумажном или незамкнутом металлическом каркасе. Катушка прикреплена к диффузору в виде усеченного конуса 1, подвешенному к диффузородержателю 8 и магнитной системе в плоскостях, усекающих конус, при помощи центрирующей шайбы 3 и гофрированного воротника (гофра) 2. В центре диффузора может быть закреплен либо пылезащитный колпак, либо рассекатель2. Рассмотрим эти варианты последовательно.
  Конусные головки с пылезащитным колпаком
  Куполообразный пылезащитный колпак 9 выполняет следующие функции.
  1. Защищает магнитный зазор от пыли, особенно магнитной.
  2. Экранирует высокие частоты, излучаемые окрестностью крепления катушки, с целью снижения верхней граничной частоты головки. Это полезно тем, что продукты нелинейных искажений головки за пределами ее рабочего диапазона частот подавляются.
  Колпак может изготавливаться из того же материала, что и диффузор, из пластика (например, лавсана) или из ткани.
  Отрицательные последствия установки колпака.
  1. Гибкость воздуха под колпаком уменьшает общую гибкость подвижной системы. Для стравливания давления под колпаком он может выполняться из акустически проницаемого материала (например, пропитанной ткани) либо в диффузоре или колпаке могут выполняться отверстия (иногда забираемые тканью для внесения дополнительных потерь).
  2. Увеличивается масса подвижной системы.
  Защитный колпак может также выполняться вогнутым (reverse cup, в английской терминологии).
  Конусные головки с рассекателем
  В этом случае колпак не устанавливается, а вместо него на керне размещается рассекатель конусной, пулевидной (рис. 2.25, а) или грибовидной (рис. 2.25, б) формы.
 
 а) б)
 Рис. 2.25 ? Динамические головки Lowther с рассекателями пулевидной (а)
 и грибовидной (б) формы
 
  Рассекатель выполняет следующие функции:
  1. Препятствует возникновению резонансных явлений в чашке, образованной диффузором.
  2. Образует совместно с диффузором рупор, способствующий более эффективному излучению ВЧ. Это свойство применяется в высококачественных широкополосных головках, например, Lowther. К точке крепления катушки может прикрепляться дополнительный диффузор также для более эффективного излучения ВЧ (может совместно применяться либо с колпаком, либо с рассекателем).
  3. Может использоваться для дефокусирования энергии с акустической оси АС и расширения диаграммы направленности на СЧ.
 Электродинамические громкоговорители с распределенной катушкой
  Электродинамические громкоговорители с распределенной катушкой (называемые также магнепланарными) принципиальных отличий от головных телефонов соответствующей конструкции (рис. 2.18) не имеют. Используются и как широкополосные излучатели (например, в акустических системах Magnepan), и для диапазона СЧ-ВЧ, и для ВЧ (Infinity, Legacy Audio, 10ГИ-1). Хруст мембраны еще более вероятен, чем в головных телефонах, в связи с большей амплитудой колебаний.
  Излучатели Хейла
  Всем излучателям свойственен общий недостаток - для увеличения КПД необходимо увеличивать размеры излучателя, что означает обострение диаграммы направленности. Разновидностью электродинамических излучателей с распределенной катушкой являются излучатели Хейла (рис. 2.26). Идеей этого излучателя является получение высокого КПД при малых размерах. Излучающий элемент представляет собой гофрированную гармошкой мембрану 1 с нанесенной на нее плоской катушкой 2. Мембрана помещена в магнитное поле, перпендикулярное мембране.
 
 
 Рис. 2.26 ? Излучатель Хейла: 1 - мембрана; 2 - напыленный проводник
 3 - фрагменты магнитной системы
 
  Ток в проводниках на соседних элементах "гармошки" течет в противоположные стороны, поэтому под действием электрического сигнала "гармошка" сжимается и разжимается, что приводит к выталкиванию и всасыванию в нее воздуха. В итоге относительно небольшая колебательная скорость элементов "гармошки" вызывает в несколько раз (до пяти) бoльшую колебательную скорость молекул воздуха. Это значительно повышает КПД, т.к. акустическая мощность пропорциональна квадрату колебательной скорости.
  Недостаток излучателей Хейла состоит в том, что, для того чтобы создать пронизывающее "гармошку" магнитное поле, магнитная система должна перекрывать ее. Огибая магнитную систему, импульсные звуки рассеиваются во времени.
  Излучатель Хейла применяется в основном на ВЧ, но иногда и на СЧ и НЧ (ESS, модель Transor ATD).
 
  2.5.4 Электростатические громкоговорители
 
  Конструкция излучателей электростатических громкоговорителей принципиально не отличается от конструкции электростатических головных телефонов (рис. 2.19). Отличие состоит в значительно большей площади излучателя (рис. 2.27), которая необходима получения достаточной чувствительности.
  Отрицательным последствием большой площади поверхности является очень острая направленность излучения. Излучатель на рис. 2.27 изогнут для борьбы с этим эффектом. Другой способ расширения диаграммы направленности состоит в организации акустической линзы Френеля: разделении всей панели на зоны, запитываемые со сдвигом по времени. Такой подход применяется в акустических системах Quad.
  Помимо острой направленности, недостаток электростатических АС состоит в емкостном характере их сопротивления. На ВЧ импеданс излучателей падает; такая нагрузка является "сложной" для усилителя.
 
  2.5.5 Ионные громкоговорители
 
  Ионные громкоговорители представляют собой иглу, на которую подается высокочастотное (до нескольких десятков МГц) напряжение большой амплитуды. Вокруг иглы возникает коронный разряд, ионизирующий молекулы воздуха. При амплитудной модуляции ВЧ-сигнала звуковым диаметр облака ионов меняется в такт со звуком, что приводит к возбуждению звуковой волны в среде.
  Преимущества:
  1. Отсутствие движущихся частей исключает хруст и дребезг при их перемещении.
  2. Ненаправленное излучение.
  3. Гладкая АЧХ.
  Недостатки:
  1. Низкий КПД в связи с малой площадью ионного облака. Реально ионные излучатели используются только на ВЧ (не ниже 800 Гц) и только в рупорном оформлении. Это в значительной степени нивелирует преимущества по АЧХ и ненаправленности излучения (впрочем, в реальных условиях ненаправленное излучение не такое уж преимущество, см. раздел 2.1.2).
  2. Шум коронного разряда. Для борьбы с ним повышают частоту ВЧ напряжения до нескольких десятков мегагерц.
  3. Огромные электромагнитные помехи, в том числе и собственному тракту.
  4. Генерируемый в больших количествах озон при длительном использовании громкоговорителя раздражает слизистую оболочку глаз и легкие.
 
  2.6 Акустические оформления громкоговорителей
 
  Задачи, которые решает акустическое оформление громкоговорителей, следующие:
  1) устранить или ослабить акустическое короткое замыкание (АКЗ) - непосредственное взаимодействие областей сжатия и разрежения, образующихся по обеим сторонам подвижной системы;
  2) с использованием присоединенного к акустическому оформлению или заключенного в него воздуха создать резонансные свойства системы головка-оформление, которые обеспечивают наилучшую форму АЧХ или передаточной характеристики акустической системы в целом;
  3) акустически трансформировать излучаемые подвижной системой головки колебания для наиболее эффективного излучения в пространство (это действительно главным образом для рупорного оформления);
  4) сформировать заданную направленность излучения акустической системы.
  Рассмотрим следующие разновидности акустических оформлений: экран, закрытый ящик, фазоинвертор, оформление с пассивным излучателем, полосовой резонатор.
 
  2.6.1 Экран
 
  Экран представляет собой недеформируемую звуковой волной панель, в которой установлена головка громкоговорителя. Цель экрана - устранить акустическое короткое замыкание путем экранирования тылового излучения. Рассмотрим две разновидности экранов: бесконечный экран и экран конечных размеров.
  Бесконечный экран
  Бесконечный экран разделяет пространство на два полупространства, в одном из которых находится слушатель. Тыловое излучение при этом экранируется совершенно. Это не столь абстрактное оформление, как кажется на первый взгляд: врезанная в стену головка громкоговорителя работает примерно в этом оформлении.
 АЧХ громкоговорителя с акустическим оформлением "бесконечный экран"
  Электромеханические преобразователи являются обратимыми, как четырехполюсники, но это не значит, что, зарегистрировав поле в некоторой точке микрофоном и излучая записанный сигнал расположенным на месте микрофона громкоговорителем, мы получим исходное распределение давления в пространстве. Хоть громкоговоритель, излучающий в пространство, функционально и похож на головные телефоны, но анализ его работы отличается в том смысле, что его сигнал уже нельзя представить в виде одного параметра - давления у барабанной перепонки. Выходной сигнал громкоговорителя многомерный: его полная характеристика должна была бы учитывать зависимость поля от трех пространственных координат и времени. Но, чтобы составить хотя бы общее представление о работе громкоговорителя, можно рассмотреть в качестве его выходной акустической мощности мощность, излучаемую по всем направлениям. Полная излученная мощность будет:
  ,
 где zизл - полное сопротивление излучения,
  rизл - активная составляющая сопротивления излучения,
  * - символ комплексного сопряжения.
  В соответствии с тем, какой параметр на входе громкоговорителя является частотно-независимым, эта формула может быть модифицирована. Если это ток, то формула остается без изменений. Если это напряжение, то ток определяется как напряжение на громкоговорителе, деленное на входное сопротивление громкоговорителя:
  .
  Важно отметить, что по отношению к наиболее распространенным электродинамическим громкоговорителям именно ток является параметром, непосредственно определяющим силу, приложенную к катушке.
  Итак, АЧХ громкоговорителя определяют два параметра - собственное механическое сопротивление подвижной системы zм.0 (определяется свойствами головки) и сопротивление излучения rизл (определяется свойствами акустического оформления). Первое является сопротивлением механического маятника, включающего массу подвижной системы m, гибкость с и сопротивление потерь r: . Второй параметр, сопротивление излучения, зависит от акустического оформления.
  Экран разделяет пространство на два полупространства (рис. 2.28, а) и является недеформируемым, т.е. звуковое давление возле экрана приводит только к движению молекул вдоль экрана. Если бы экрана не было совсем, а тыловая поверхность подвижной системы работала бы синфазно с фронтальной (рис. 2.28, б), то в передней полуплоскости ничего бы не изменилось: молекулы двигались бы по-прежнему вдоль поверхности, где раньше был экран. Кроме того, на низких частотах не имеет значения форма подвижной системы, а важна только акустическая характеристика а - эффективная площадь, по которой взаимодействует головка громкоговорителя с пространством (на НЧ a равна полной площади поверхности диффузора: и с фронтальной, и с тыловой стороны). Поэтому в передней полусфере ГГ в бесконечном экране создает такое же поле, как и пульсирующая сфера эквивалентной площади (рис. 2.28, в), т.е. чисто сферическую волну.
 
 
 а) б) в)
 Рис. 2.28 ?Эквивалентность излучателя в бесконечном экране
 и сферического излучателя
 
  В сферической волне, как было установлено ранее, полное сопротивление излучения:
 
  ,
 
 где . Первое слагаемое определяет активное сопротивление излучения , второе - присоединенную массу среды . Поскольку мы рассматриваем низкие частоты, где kr<<1, то . Полное механическое сопротивление ГГ будет:
 
 .
 
  Теперь можно найти акустическую мощность, излучаемую громкоговорителем:
 
 
 .
 
  Проанализируем данную формулу.
  1. Второй множитель представляет АЧХ по мощности ФВЧ второго порядка с резонансной частотой ?0. Т.е. для получения плоской АЧХ в некотором диапазоне резонансная частота громкоговорителя должна быть ниже нижней граничной частоты этого диапазона.
  2. Ход АЧХ в окрестности резонансной частоты определяется отношением . Корень квадратный из обратной величины называется добротностью громкоговорителя . Критической величиной добротности является . В этом случае АЧХ является плоской по Баттерворту - все производные ее на бесконечной частоте равны нулю, а спад на резонансной частоте составляет -3 дБ. При большей добротности АЧХ приобретает выброс на резонансной частоте, при меньшей - спад на резонансной частоте увеличивается. Обыкновенно при проектировании громкоговорителей стремятся к получению добротности около . Однако при этом характеристика группового времени запаздывания плоской не является - она имеет "горб", а неравномерность ее в звуковом диапазоне может превышать 10 мс (рис. 2.29).
 
 
 Рис. 2.29 ? Групповое время запаздывания головки в бесконечном экране
 с характеристикой Баттероворта и резонансной частотой 20 Гц
 
  Характеристику ГВЗ без выбросов, монотонно спадающую, имеет фильтр Бесселя (добротность около 0.6, рис. 2.30).
  3. Резонансная частота громкоговорителя в бесконечном экране ниже, чем собственная резонансная частота подвижной системы ГГ за счет соколеблющейся массы. Это снижение более значимо для ГГ с более легкой подвижной системой.
 
 
 
 Рис. 2.30 ? Групповое время запаздывания головки в бесконечном экране с характеристикой Бесселя и резонансной частотой 20 Гц
 
  4. Параметры ?0 и Q полностью определяют АЧХ громкоговорителя в бесконечном экране и входят в состав набора величин, называемых параметрами Тиле-Смолла. Управление добротностью (а следовательно, и АЧХ, и ГВЗ) называется демпфированием ("успокоением" колебаний на основном резонансе).
  Демпфирование может выполняться двумя способами.
  1. Внесение механических потерь на трение или излучение (акустическое демпфирование). Сложность в том, что элементы потерь на трение часто имеют совсем не бесконечную гибкость и в той или иной степени повышают резонансную частоту. Демпфирование потерями на излучение - это хороший способ, т.к. одновременно это означает повышение эффективности излучения. Нужно, однако, иметь в виду, что если излучение в среду осуществляется громкоговорителем не напрямую (как в рупорах или полосовых резонаторах) или не только напрямую (как в фазоинверторах), то добротность головки громкоговорителя и АС в целом - разные вещи.
  2. Изменение сопротивления источника сигнала (электрическое демпфирование). Чем ниже сопротивление источника, тем меньше полная добротность. Очень важно отметить, что это утверждение справедливо и для отрицательных сопротивлений источника. Поэтому распространенный параметр "коэффициент демпфирования", равный отношению входного сопротивления АС к сопротивлению источника, неадекватен - при переходе через нулевое сопротивление источника никакой "революции" не происходит - демпфирование продолжает плавно нарастать.
  Существенно также, что для электродинамического громкоговорителя параметром, непосредственно определяющим усилие, приложенное к подвижной системе и, следовательно, звуковое давление, является ток. Большинство же современных усилителей являются источниками напряжения. Исполнение усилителя как источника напряжения обеспечивает электрическое демпфирование подвижной системы (обеспечить заданную добротность только акустическим демпфированием - сложная задача), но низкое выходное сопротивление усилителя плохо в других отношениях:
  1) часто минимальные нелинейные искажения электродинамических громкоговорителей обеспечиваются не при нулевом сопротивлении источника (обычно при сопротивлении источника большем или примерно равном сопротивлению ГГ);
  2) существенно влияние соединительных проводов.
  В серийной продукции источники тока для питания громкоговорителей прижились в основном там, где необходимая степень демпфирования мала - в сабвуферах.
  Акустические характеристики (неважно какие - звуковое давление, колебательная скорость, интенсивность, плотность энергии - все они связаны друг с другом через волновое сопротивление среды) на частотах выше резонансной пропорциональны ускорению подвижной системы. Поэтому более низкие частоты передаются с большей амплитудой колебаний подвижной системы. В связи с этим в принципе нельзя воссоздать звуковое давление, начиная от нулевой частоты. С точки зрения передачи амплитуд спектральных составляющих сигнала, достаточно воспроизводить слышимый частотный диапазон (начиная примерно от 20 Гц). Однако для сохранения формы сигнала нужно учитывать и ФЧХ акустической системы. Для реальных передаточных характеристик это означает учет их хода и на частотах ниже 20 Гц. На рис. 2.31 приведена переходная характеристика головки в бесконечном экране с резонансной частотой 40 Гц и добротностью .
 
 Рис. 2.31 ? Переходная характеристика головки в бесконечном экране
 с добротностью
 
  Для электростатических громкоговорителей в пренебрежении внесенным электрическим сопротивлением , где Ск - емкость преобразователя, т.е., во-первых, функционально АЧХ такая же, как и АЧХ электродинамических громкоговорителей, а, во-вторых, параметром, непосредственно определяющим усилие, приложенное к подвижной системе, является напряжение.
  Экран конечных размеров
  Если экран имеет конечные размеры, то в помещение прослушивания проникает излучение не только фронтальной, но и тыловой стороны подвижной системы. Это определяет следующие специфические особенности данного типа оформления:
  1. Акустическое короткое замыкание между фронтальной и тыльной стороной диффузора не подавляется, а смещается в более низкочастотную область. Важно отметить, что в режиме АКЗ, хотя продольная волна почти не возникает, колебания среды по-прежнему есть.
  2. Громкоговоритель в целом представляет собой диполь.
  3. Проникающее в зону прослушивания задержанное излучение создает дополнительную реверберацию. Т.е. экран конечных размеров представляет собой реверберационный фильтр, который при определенных условиях может облагораживать воспроизводимую фонограмму.
  В связи с соизмеримостью размеров экрана с длиной волны, АЧХ имеет гораздо более сложный вид, чем, например, у микрофонов градиента давления, где роль АКЗ сводится к формированию монотонно нарастающей со скоростью 6 дБ/окт. АЧХ. Рассмотрим АЧХ ГГ в экране конечных размеров только качественно (рис. 2.32). На АЧХ можно выделить три характерные зоны:
  1) область полного АКЗ;
  2) область периодического АКЗ;
  3) область отсутствия дифракции.
 
 
 
 Рис. 2.32 ? АЧХ громкоговорителя в экране конечных размеров
 
  Для уменьшения интерференционных провалов АЧХ применяют асимметричную установку ГГ в экране. Это несколько уменьшает отдачу на пиках, зато увеличивает на провалах за счет того, что условия интерференционного нуля оказываются на разных частотах при огибании экрана с разных сторон. Для эффективного излучения НЧ размеры экрана должны быть большими - для 40 Гц: м. Поэтому обычно экран сворачивают в виде ящика без задней стенки (или с акустически прозрачной задней стенкой). Таково большинство акустических систем, встроенных в аудио- и видеоаппаратуру.
 
  2.6.2 Закрытый ящик
 
  По характеристикам к бесконечному экрану гораздо ближе закрытый ящик (ЗЯ), чем экран конечных размеров: излучение тыльной стороны подвижной системы также не достигает слушателя. Для выполнения этого условия ящик должен быть герметичным и стенки ящика не должны вибрировать под действием внутреннего давления. Для уменьшения вибраций стенок толщина их выбирается значительной, а также применяются стяжки или распорки. Стравливание давления из ящика через щели или через подвижную систему громкоговорителя может приводить к тому, что система, внешне оставаясь закрытым ящиком, демонстрирует свойства, характерные для систем, использующих тыловое излучение. Акустически глухой ЗЯ - сложная конструкция.
  С точки зрения АЧХ, отличие ЗЯ от бесконечного экрана состоит в том, что к подвижной системе присоединятся гибкость и потери в воздухе внутри ящика. В связи с тем, что , а , присоединение дополнительной гибкости (и уменьшение общей) приводит к увеличению резонансной частоты и добротности. Это используется в АС среднего качества для имитации хорошей отдачи на НЧ. Понизить добротность и резонансную частоту можно, если повысить собственную гибкость подвижной системы. Такие головки с очень гибкой подвижной системой, низкими собственными резонансной частотой и добротностью называются головками с акустическим подвесом. Гибкий подвес, однако, создает риск перекоса подвижной системы, заставляет увеличивать ширину магнитного зазора, что отрицательно сказывается на КПД.
  Еще одно отличие ЗЯ от бесконечного экрана состоит в том, что фронтальное излучение на низких частотах распространяется на все пространство, а не на полупространство. Это означает снижение звукового давления на 6 дБ. А на высоких частотах, когда фронтальные размеры АС больше длины волны, по-прежнему озвучивается полупространство. Поэтому АЧХ ЗЯ приобретает подъем на 6 дБ от НЧ к ВЧ. Он плавный, если корпус обтекаемый, и изрезанный, если корпус имеет форму параллелепипеда.
  2.6.3 Фазоинвертор
 
  Конструкция, механическая схема и эквивалентные схемы фазоинвертора приведены на рис. 2.33. Идея фазоинверсного оформления состоит в том, чтобы использовать излучение тыловой стороны подвижной системы, проинвертировав его механическим фазоинвертором, состоящим из гибкости воздуха в ящике cv и массы воздуха в трубе mТ.
 
 
 а) б)
 ==>
 
 в) г)
 Рис. 2.33 ? Конструкция (в разрезе) (а), механическая схема (б)
  и эквивалентные электрические схемы (в, г) фазоинвертора
 
  Для того чтобы просуммировать сигналы головки и трубы фазоинветора, имеющие разные площади, отметим, что общая мощность излучения определяется объемом, вытесняемым подвижной системой при движении. Действительно:
  .
  Произведение колебательной скорости подвижной системы на ее эффективную площадь называется объемной скоростью и имеет смысл объема, вытесняемого в секунду. Для фазоинверсного акустического оформления общая объемная скорость V равна сумме объемных скоростей диффузора Vд и трубы VТ: , где Sд - площадь диффузора, SТ - площадь отверстия трубы фазоинвертора. А если учесть, что vТ - следствие излучения тыловой стороны диффузора, то следует поставить знак минус. Теперь, найдя общую объемную скорость, разделим ее Sд: . На электрическом эквиваленте (рис. 2.33, г) это ток через cv. Проследим функционально формирование АЧХ по электрической эквивалентной схеме. Элементы с, mТ*, сv образуют ФВЧ третьего порядка, а m - ФНЧ первого порядка, в результате чего АЧХ колебательной скорости приобретает вид рис. 2.34.
 
 Рис. 2.34 ? Линеаризованные АЧХ колебательной скорости
 и сопротивления излучения фазоинвертора
 
  Кроме того, сопротивление излучения растет с частотой на 6 дБ/окт., таким образом, итоговая ЧХ излучаемой мощности приобретает вид ФВЧ четвертого порядка (рис. 2.35).
 
 
 Рис. 2.35 ? ЧХ акустической мощности, излучаемой фазоинвертором
  2.6.4 Оформление с пассивным излучателем
 
  Отличие акустического оформления с пассивным излучателем (рис. 2.36) от фазоинвертора состоит в том, что в качестве инерционного элемента используется не масса воздуха в трубе, а масса подвижной системы mПИ еще одного излучателя. Этот излучатель не используется для электромеханического преобразования и поэтому называется пассивным.
 
 
 Рис. 2.36 ? Конструкция акустической системы с пассивным
 излучателем (в разрезе)
 
  2.6.5 Полосовой резонатор
 
  Общее отличие полосового резонатора (рис. 2.37) от предыдущих разновидностей акустического оформления состоит в том, что АЧХ громкоговорителя ограничена не только снизу, но и сверху. Достигается это благодаря тому, что ГГ излучает не в среду, а в промежуточный бокс, в котором имеется отверстие или отверстия, излучающие наружу. Ясно, что такое оформление применяется только для воспроизведения части звукового диапазона ниже некоторой частоты. Обычно полосовой резонатор применяется для воспроизведения самых низких частот звукового диапазона.
 
 
 Рис. 2.37 ? Один из вариантов конструкции полосового
  резонатора (в разрезе)
  Существуют также акустические оформления, функциональные свойства которых основаны на том, что масса и гибкость воздуха распределены по объему оформления, линейные размеры которого сопоставимы с длиной волны. К таким оформлениям относятся рупорные, оформления типа "лабиринт" и "трансмиссионная линия". Рассматривать их не будем.
 
 2.7 Акустические системы на основе нескольких излучателей
 

<< Пред.           стр. 5 (из 6)           След. >>

Список литературы по разделу