3-х полосная АС (6ГД-2 + 4ГД-4 + 6ГД-13). Акустическая система с повышенным КПД

Уровень звукового давления, развиваемого АС, определяется ее чувствительностью (КПД) и подводимой электрической мощностью:

L = S + 20lg · √P = S + 10lg · Р, где

1. L – уровень звукового давления, дБ, относительно порога слухового восприятия – 2 ∙ 10^-5 н/м²;
2. S – характеристическая чувствительность (звуковое давление, развиваемое АС на расстоянии 1 м от рабочего центра при подводимой электрической мощности, равной 1 Вт, выраженное в дБ√Вт);
3. Р – подводимая мощность, Вт.

Основная масса отечественных АС имеет чувствительность около 86 дБ√Вт (Амфитон 50АС-022, 35АС-018, 25АС-027, S-90 и др.) и лишь некоторые – S-90B, S-90D, S-100В, Кливер 75АС-001 – 89-91 дБ√Вт. При большей (на 3-5 дБ) чувствительности требуется в 2-3 раза меньшая мощность для создания такого же уровня звукового давления, или уровень давления будет на столько же дБ выше при равной подводимой к АС мощности.

Например, для получения уровня звукового давления – 100 дБ к 35АС-018 нужно подвести 25 Вт, к S-90B – 12,5 Вт, а к 75АС-001 – всего 8 Вт электрической мощности.

При конструировании АС представляет интерес применение головок громкоговорителей с высоким КПД и чувствительностью – 90 дБ√Вт и более, таких как 6ГД-2, 10ГДШ-1, 4А-32, 100ГДН-3 и др.

Головка 6ГД-2, а до нее головка 5ГД-3, разработанные на Рижском радиозаводе (РРЗ) более 35 лет назад, применялись в АС ламповых радиол “Симфония”. Многие любители звука отмечают их приятное звучание и высокую “отдачу”, однако в области самых низких частот ощущается явный спад.

Усредненная АЧХ нескольких АС “Симфония” в диапазоне частот ниже 250 Гц показана на рис.1 (кривая 1). Измерения проводились в “ближнем поле” с использованием микрофона МКЭ-3 с неравномерностью собственной АЧХ ±0,5 дБ в диапазоне частот 20-700 Гц. Из графика видно, что АЧХ АС имеет крутой спад ниже 70 Гц, минимумы на частоте 100 Гц (около 4-5 дБ) и в области частот 180-250 Гц (около 3-4 дБ).

Анализ конструкции АС “Симфония” показал, что отдельный объем в нижней части корпуса с двумя отверстиями диаметрами 23 и 31 мм в горизонтальной перегородке, часто ошибочно принимаемый за конструкцию фазоинвертора (ФИ), на самом деле является низкодобротным двухчастотным режекторным акустическим фильтром (резонаторы Гельмгольца), настроенным на частоты 50 и 100 Гц для частичного подавления 1-й и 2-й гармоник сетевой частоты лампового усилительного тракта. Кроме того, такая конструкция ликвидирует неизбежный “горб” на АЧХ в области 60-80 Гц, образующийся из-за высокой (более единицы) добротности комплекса “усилитель-АС”, вызванной малой гибкостью воздуха в объеме АС (V=60 л), далеко не нулевым выходным импедансом УМ, а также активным сопротивлением соединительных проводов АС и разделительного фильтра НЧ, включенных последовательно с головкой.

Спад АЧХ в области 180-250 Гц вызван особенностью конструкции 6ГД-2. Из-за недостаточной жесткости диффузоров “поршневой” диапазон работы головок (диффузор колеблется, как единое целое) простирается лишь до частот 140-160 Гц, а дальше начинается область изломанной АЧХ, типичной для этого типа головок.

АЧХ АС закрытого типа в “поршневом” диапазоне горизонтальна на частотах выше резонансной (fp), ниже fp имеет спад около 12 дБ/окт, а на самой резонансной частоте имеет коэффициент передачи (относительно уровня горизонтального участка), численно равный полной добротности АС – Qп на fp. Когда Qп<1, АЧХ “гладкая”, при Qп>1, на АЧХ имеется “горб” на fp. Если значение Qts близко к единице и лежит в пределах 0,95 – 1,0, то наблюдается небольшой подъем АЧХ (0,5-1,3 дБ) в области частот выше fp. Вышесказанное относится к случаю, когда внутри АС отсутствует звукопоглощающий материал (ЗПМ).

Для проектирования улучшенного акустического оформления были проведены измерения основных электроакустических параметров семи экземпляров 6ГД-2: резонансной частоты fp, полной добротности Qп, гибкости подвижной системы С и эквивалентного объема Vэ. Полученные значения приведены в таблице 1, колонки “V=∞”.

Были определены объемы фазоинверторов для получения максимально “гладкой” АЧХ, которые приведены в колонке “ФИ”, таблицы 1.

Как видно из таблицы 1, параметры головок имеют значительный разброс. В очень редких случаях любители звука могут позволить себе АС объемом 200-300 л каждая, а для конструкции ФИ с приемлемым объемом требуется специальный отбор головок или применение акустического демпфирования для уменьшения Qп, что снижает КПД.

Таким образом, конструкцию акустического оформления для 6ГД-2 в виде фазоинвертора нельзя считать оптимальной для повторения. Поэтому было решено выполнить АС в виде закрытого корпуса такого объема, чтобы полная добротность системы не превышала единицы. Такому условию в подавляющем большинстве случаев удовлетворяет V=100 л. Такой же объем имеют промышленные AC 100АС-063 и 50АС-061М.

При размещении головки громкоговорителя в закрытом объеме значения fp и Qп увеличиваются. Их можно определить по формулам:

f’p=fp√1+Vэ/V и Q’п=Qп√1+Vэ/V,

где: fp и Q’п – новые значения параметров головки в объеме V.

В колонках “V=100 л” таблицы 1 приведены расчетные значения f’p и Q’п, и видно, что разброс параметров значительно уменьшился, а максимальная добротность АС меньше единицы.

Измеренные значения в реальных конструкциях оказались на 5-10% меньше из-за наличия рыхлого звукопоглощающего материала (хлопчатобумажная вата) внутри оформления, который служит не только для уменьшения паразитных резонансных явлений в области средних и высоких частот, но и увеличивает гибкость воздуха внутри корпуса АС, что эквивалентно увеличению объема, а также повышает активные акустические потери.

Для того чтобы эти потери не были чрезмерными, количество ЗПМ не должно превышать 10-15 г/л (1-1,5 кг на 100 л).

Вариант размещения головок в трехполосной АС с внутренними размерами 710х460х320 мм и с использованием 6ГД-2 на НЧ показан на рис.2. Корпус можно выполнить из фанеры или ДСП толщиной 18-20 мм. Головка СЧ – 4ГД-4 закрыта с внутренней стороны пластмассовым колпаком (V=4 л) с ЗПМ. Электрическая схема разделительных фильтров показана на рис.3, в качестве СЧ головки можно применить недефицитную 5ГДШ-1 (ЗГД-38Е), включив последовательно с ней резистор сопротивлением 2,2 Ом (5 Вт). Катушки L1 и L2 фильтров намотаны проводом ПЭВ-1 диаметром 1,3 мм на деревянных каркасах диаметром 85 мм с высотой намотки 20 мм, количество витков 150; катушки L3 и L4 – проводом ПЭВ-1 диаметром 1,0 мм на каркасах диаметром 14 мм с высотой намотки 15 мм, количество витков 97. Конденсаторы С1-С4 типов К73-16, К73-17 на напряжение 63 В или других типов с отклонением 5% от номинала.

---

Параметры разработанной АС:

Рабочий диапазон частот: 35 – 20000 Гц

Уровень характеристической чувствительности: 93 дБ√Вт

Номинальное электрическое сопротивление: 8 Ом

Предельная шумовая (паспортная) мощность: 16 Вт

Максимальный уровень звукового давления на расстояния 1 м: 105 дБ

---

Для сравнения, чтобы получить уровень звукового давления, равный 105 дБ, к AC S-90 нужно подвести около 90 Вт электрической мощности. Семейство АЧХ с использованием различных экземпляров 6ГД-2 в НЧ диапазоне показано на рис.1 (кривые 2). Как видно, разброс АЧХ в области частот выше 30 Гц и до конца “поршневого” диапазона оказался менее 2 дБ, что свидетельствует о хорошей повторяемости параметров в предложенном акустическом оформлении. Выигрыш по звуковому давлению в области самых низких частот (по сравнению с “родным” применением головок в АС “Симфония”) не менее 10 дБ, а расширение рабочего диапазона по уровню – 8-10 дБ от величины среднего звукового давления – более чем на 2/3 октавы вниз.

Автор: Борщ П.А., г. Киев (журна “Радиоаматор” №9 2001 г.)