Акустическая система. Основные понятия

Акустической системой называется громкоговоритель, предназначенный для использования в качестве функционального звена в бытовой радиоэлектронной аппаратуре. Под «громкоговорителем» понимается «устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей, при наличии акустического оформления, электрических устройств (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т.п.). В соответствии с определением Международного электротехнического словаря МЭК 50 (801) термин «громкоговоритель» может применяться как к «акустической системе», так и к одиночному громкоговорителю, который в отечественных стандартах называется «головкой громкоговорителя (ГГ)». Однако в технической литературе термин «громкоговоритель» обычно применяется к одиночным громкоговорителям, а многополосные системы, в зависимости от их назначения, называются «акустические системы», «звуковые колонки» и т.д.

Акустические системы, встроенные в корпус радиоэлектронной аппаратуры (телевизор, магнитофон, приемник), называются «встроенными»; акустические системы, конструктивно не связанные с используемой аппаратурой, называются «выносными». Акустические системы АС являются конечным звеном бытовых звуковоспроизводящих трактов, в значительной степени определяющим их качество звучания.

Значительный прогресс в развитии бытовой радиоэлектронной аппаратуры за последние годы обусловил рост объемов производства и увеличение числа моделей «выносных» и «встроенных» АС в отечественной и зарубежной промышленности.

view-003 ldsound_ru (1)

Ниже будут рассмотрены основные элементы конструкции акустической системы. Принцип устройства многополосной выносной АС показан на рис. 1. Акустическая система состоит из следующих основных элементов:

излучателей 1, 2, 3 (низко-, средне-, высокочастотные ГГ), число которых в каждой из полос зависит от типа АС;
корпуса 4;
электронных устройств 5, 6 (фильтрующе-корректирующие цепи, электронные схемы защиты и т. д.);
регуляторов уровня 7;
входных клемм 8.
 
Излучатели, используемые в подавляющем большинстве АС, представляют собой электродинамические головки громкоговорителей ГГ. В ряде АС применяются также электростатические, изодинамические и др. Такие АС в отечественной терминологии принято называть «АС с нетрадиционными излучателями».

В выносных АС, как правило, используется многополосный принцип построения, т.е. весь воспроизводимый диапазон частот подразделяется на несколько частотных поддиапазонов, каждый из которых воспроизводится своим ГГ, который в зависимости от этого называется низко-, средне- или высокочастотным. В зарубежной литературе встречаются названия subwoofer — «супернизкочастотный» и supertweeter — «супервысокочастотный» ГГ. Под этими названиями обычно понимаются ГГ, эффективно воспроизводящие частоты соответственно ниже 25 Гц или выше 20 кГц. В АС высшей категории обычно используется три или четыре частотных поддиапазона; в массовых АС часто применяют одно- или двухполосный принцип построения. Это связано с тем, что применение одного широкополосного громкоговорителя не позволяет обеспечить равномерность АЧХ акустической мощности в полном диапазоне частот и снизить уровень интермодуляционных искажений. Требования к ГГ, работающим в различных частотных диапазонах, существенно отличаются.

Низкочастотные ГГ должны обладать значительной мощностной н температурной устойчивостью (современные ГГ используются при мощности музыкальных сигналов 100-150 Вт, увеличение температуры при этом достигает 150-200 °С); обеспечивать линейность упругих характеристик при больших смещениях; низкие резонансные частоты; сохранение поршневого характера колебаний в возможно более широком диапазоне частот. Как правило, в качестве низкочастотных ГГ используются конусные электродинамические громкоговорители прямого излучения. Отечественной промышленностью выпускалась только одна модель АС 25 АСЭ-101 «Статик», где в качестве низкочастотного используется электростатический излучатель.

К среднечастотным ГГ, используемым в АС, также предъявляются требования к мощностной и температурной устойчивости, обеспечению уровня линейных и нелинейных искажений, близких к субъективным порогам восприятия, которые в области средних частот достигают своих минимальных значений. В качестве среднечастотных используются как конусные, так и купольные электродинамические ГГ, кроме того, значительно шире применяются электростатические излучатели, изодинамические, излучатели Хейла.

Высокочастотные ГГ в современных АС должны обеспечивать воспроизведение высокоцастотной части диапазона до 20-30 кГц, увеличение динамического диапазона до 100-110 дБ и устойчивость к тепловым перегрузкам. В большинстве моделей применяются купольные электродинамические ГГ, однако за последние годы все больше используются нетрадиционные конструкции излучателей всех видов: пьезокерамические, электростатические, излучатели Хейла и др.

Корпус АС является основным конструктивным элементом, формирующим ее электроакустические характеристики в области низких частот за счет регулирования нагрузки на тыловую поверхность диффузора и использования или подавления излучения этой поверхности. Он оказывает существенное влияние на электроакустические параметры АС как в области низких частот (такие как амплитудно-частотная характеристика — АЧХ, фазочастотная — ФЧХ, характеристика направленности — ХН, коэффициент нелинейных искажений), так и в области средних и высоких частот за счет колебаний стенок корпуса на его внутреннего объема, а также за счет влияния формы корпуса на характер дифракционных эффектов.

view-003 ldsound_ru (21)

Наиболее распространенными типами корпусов в современных АС являются закрытый корпус, фазоинверсного типа и корпус с пассивным излучателем (рис. 2). Существуют также и другие виды реже используемых корпусов: «свернутый рупор, «лабиринт», трансмиссионная линиям и т.д.

Закрытый корпус служит для подавления излучения тыловой поверхности диффузора ГГ.

Корпус фазоинверсного типа отличается наличия в нем отверстия или отверстия с трубкой, что увеличивает уровень звукового давления в определенной области низких частот благодаря излучению тыловой поверхности диффузора.

Довольно широко применяется корпус, в котором вместо отверстия или трубки используется пассивный излучатель, представляющий собой громкоговоритель с подвижной системой без магнитной цепи и звуковой катушки. Пассивный излучатель позволяет также увеличить уровень звукового давления за счет использования тылового излучения, особенно в области частоты резонанса системы, образуемой за счет массы подвижной системы излучателя, гибкости его подвеса и содержащегося в корпусе воздуха.

Варианты АС по низкочастотоному оформлению корпуса:

  1. плоский экран;
  2. открытый корпус;
  3. закрытый ящик;
  4. корпус с фазоинвертором;
  5. пассивный излучатель;
  6. корпус с лабиринтом;
  7. TQWP;
  8. рупор;
  9. бандпасс (полосовой резонатор);
  10. громкоговоритель с ЭМОС.

Конструктивные параметры корпуса АС, его конфигурация, соотношение размеров, расположение ребер и прочее определяются расчетным или экспериментальным путем исходя из требований к электроакустическим характеристикам АС.

Характеристики АС в области низких частот рассчитываются путем анализа существующих эквивалентных схем системы, полученных с помощью метода электромеханических аналогий. За последние годы разработан системный подход к анализу и синтезу параметров АС в области низких частот, базирующийся на аналогии между характеристиками АС в области низких частот и параметрами соответствующих электрических фильтров, что позволило применить хорошо разработанные методы расчетов характеристик фильтров к расчету параметров АС. Обобщенная эквивалентная схема АС с различными типами оформлений в области низких частот показана на рис. 3. Для построения эквивалентной схемы АС и ее последующей оптимизации используются такие электромеханические параметры низкочастотных громкоговорителей, как полная Qts, электрическая Qes, механическая Qms добротности, эквивалентный объем Vas, частота основного резонанса f0, модуль полного электрического сопротивления z и др.

view-003 ldsound_ru (22)

Eg – напряжение источника сигнала;
Rg – выходное сопротивление источника сигнала;
RE – активное сопротивление звуковой катушки;
B – плотность магнитного потока в зазоре магнитной системы;
Sэф – эффективная площадь диффузора;
CAS – акустическая гибкость подвеса;
MAS –акустическая масса подвижной системы;
RAS – акустическое сопротивление потерь в подвижной системе;
RAR1 – активная составляющая сопротивления излучения фронтальной поврхности диффузора;
MA1 – реактивная составляющая сопротивления излучения (масса воздуха, соколеблющаяся с фронтальной поверхностью диффузора громкоговорителя);
MB1 – масса воздуха, соколеблющаяся в тыловой поверхности диффузора;
CAB – акустическая гибкость воздуха в корпусе АС;
RAB – акустическое сопротивление потерь в корпусе АС, обусловленных внутренним поглощением энергии;
RAL – акустическое сопротивление потерь, обусловленных утечками воздуха из щелей корпуса АС;
RAR2 – активная составляющая сопротивления излучения отверстия фазоинвертора или диафрагмы пассивного излучателя;
MA2 – реактивная составляющая сопротивления излучения отверстия фазоинвертора или диафрагмы пассивного излучателя;
MB2 – масса воздуха, соколеблющаяся с тыловой поверхностью диафрагмы пассивного излучателя (если таковой присутствует);
MAP – акустическая масса пассивного излучателя или воздуха в трубе фазоинвертора;
CAP – акустическая гибкость подвеса пассивного излучателя;
RAP – акустическое сопротивление потерь в подвесе пассивного излучателя или в трубе фазоинвертора;
l – длинна части звуковой катушки, находящаяся в зазоре магнитной системы.

 

В области средних и высоких частот существенное влияние на акустические характеристики АС оказывает внешняя конфигурация корпуса: его форма, наличие отражающих поверхностей, характер округления углов, степень демпфирования его передней и верхней стенки и т.д. за счет дифракционных эффектов. Экспериментальные исследования в корпусах различной формы показывают, что переход от гладких форм, например эллипсоидных или сферических, к формам с острыми углами приводит к значительному увеличению неравномерности АЧХ. Традиционно в большинстве АС используют прямоугольные корпуса, при этом для уменьшения отражений применяют демпфирование передней панели или верхней крышки, например за счет применения специальных накладок. Для высококачественной аппаратуры нередко делают корпуса обтекаемой формы; эллипсоиды, цилиндры, сферы и т.д., выделяя для средне- и высокочастотных ГГ отдельный блок. Эти меры позволяют снизить неравномерность АЧХ и улучшить субъективное восприятие звучания.

Существенное влияние на электроакустические характеристики АС оказывают колебания стенок корпуса, которые вносят значительный вклад в общий процесс звукоизлучения. Поскольку резонансные колебания стенок происходят на частотах негармонических по отношению к колебаниям диффузора, она придают особенно неприятную окраску звучанию. Анализ механизмов возникновения звукоизлучения из-за вибраций стенок корпуса показывает, что существуют два пути передачи звука: первый за счет возбуждения колебаний внутреннего объема воздуха в корпусе, вследствие излучения от тыльной поверхности диафрагмы и передача через него колебаний на стенки корпуса, и второй, за счет прямой передачи вибраций от диффузородержателя на переднюю стенку, а от нее – на боковые и заднюю. Анализ вклада обоих механизмов передачи показывает, что в области низких частот до 300-600 Гц существенное влияние на возбуждение стенок оказывают как колебания внутреннего объема корпуса, так и прямая передача вибраций через диффузородержатель. В области средних частот действует в основном второй путь. Для уменьшения этих явлений в процессе конструирования АС используют различные способы звуко- и виброизоляции и звуко- и вибропоглощения.

Для демпфирования внутренних акустических резонансов, корпуса АС заполняют тонковолокнистыми упругопористыми материалами (минеральная вата, синтетическое волокно, стекловолокно и др.). Лучшими из отечественных волокнистых звукопоглощающих материалов являются АТМ-1, АТМ-3, АТМ-7, АТИМС и др.

С целью уменьшения общего уровня звукоизлучения от стенок, применяются конструктивные меры по повышению жесткости и массы стенок. Известны конструкции АС с корпусами из кирпича, мрамора, пенобетона и др. Они обеспечивают высокий уровень звукоизоляции до 30 дБ, но слишком велики по весу. Обычно используют такие материалы, как ДСП, фанера или МДФ. Для АС категории Hi-Fi применяют эти материалы толщиной 13-20 мм, что обеспечивает неплохую звукоизоляцию и приемлемый вес корпуса.

Для борьбы с прямой передачей вибрации от диффузородержателя, применяют методы виброизоляции и вибропоглощения. Эффект виброизоляции достигается применением упругих амортизаторов при креплении диффузородержателя к передней стенке корпуса в виде резиновых прокладок, локальных опорных виброизоляторов для крепления винтов, амортизирующих прокладок для крепления передней панели к боковым, развязок держателя от передней панели за счет дополнительной опоры его на дно и т.д.

Снижение амплитуд вибраций стенок достигается использованием различных вибропоглощающих материалов, например жесткой пластмассы или мастики, наносимых на внутренние поверхности стенок, таких как Агат, ВМЛ-25, Антивибрит и др. Кроме того, применяют стяжки; распорки, например между двумя боковыми стенками, и ребра жесткости. Использование рёбер жесткости, особенно расположенных параллельно длинной стороне или по диагонали стенки, существенно повышает резонансные частоты, облегчая тем самым их демпфирование. Таким образом, корпуса акустических систем, особенно для АС категории Hi-Fi, обладают довольно сложной конструкцией за счет применения всех указанных мер, однако затраты на производство таких конструкций оправдываются улучшением объективных характеристик и качества звучания акустических систем.

Электронные устройства АС включают в себя, прежде всего, электрические разделительные фильтры. Практически все современные АС являются многополосными по причинам, указанным выше, поэтому распределение энергии звукового сигнала между ГГ является основной задачей фильтров. Развитие техники проектирования АС заставило изменить функции фильтров и методы их проектирования. Разделительные фильтры выполняют теперь одновременно задачи фильтрации и коррекции. В подавляющем большинстве современных выпускаемых АС используются так называемые «пассивные» фильтры, которые включаются после усилителя мощности. Однако в ряде моделей АС применяются и «активные» разделительные фильтры. В этом случае в каждом частотном канале используется свой усилитель мощности, включенный после фильтров. По сравнению с пассивными активные фильтры имеют ряд преимуществ: лучшую перестраиваемость в процессе настройки, отсутствие потерь мощности, меньшие габариты и т.д., однако они проигрывают по таким параметрам, как динамический диапазон, шумы, нелинейные искажения, требуют применения отдельных усилителей в каждом канале, что экономически невыгодно. В промышленности СССР выпускалась только одна модель активной АС – 35 АС-013 «Radiotehnika S-70».

В процессе развития техники проектирования АС использовались пассивные фильтры различных типов. К настоящему времени наибольшее распространение получили фильтры «всепропускающего типа», которые удовлетворяют одновременно многим требованиям: обеспечивают плоскую суммарную АЧХ по напряжению, симметричные характеристики направленности АС в области частот разделения, низкую чувствительность к изменению значения элементов. Поскольку передаточные функции по напряжению таких фильтров представляются в виде полиномов Баттерворта степени n [точнее, при n-нечетном описываются полиномом Баттерворта Вn, а при n-четном — (Вn)2], их называют фильтрами Баттерворта различного порядка. Выбор порядка фильтров определяется степенью сложности предъявляемых к АС требований. Обычно в АС используются фильтры второго-четвертого порядков. При оптимизации разделительных фильтров с использованием компьютера, разработчик задается схемой фильтров и начальными значениями элементов. Затем путем целенаправленного изменения значений элементов схемы на ПК, минимизируется разница между требуемыми электроакустическими характеристиками и действительными. Использование методов оптимального синтеза фильтрующе-корректирующих цепей позволило в современных конструкциях АС добиться значительного уменьшения неравномерности АЧХ, снижения уровня фазовых искажений, симметризации характеристик направленности и т.д.

К электронным устройствам в АС относятся также различные фильтры-корректоры, которые используются для коррекции характеристик АС в области низких частот, в частности, электронная коррекция реализуется в АС с электромеханической обратной связью (ЭМОС) применением амплитудных линейных и нелинейных корректоров, специальных усилителей мощности со сложным комплексным характером выходного сопротивления, согласованным с параметрами низкочастотных ГГ. Электромеханическая обратная связь используется в системе 35 АС-013 «Radiotehnika S-70».

В связи со значительным возрастанием мощности подводимых к АС музыкальных сигналов, часто применяются электронные устройства для защиты ГГ от механических и тепловых перегрузок.

3ащита как от длительных, так и от кратковременных перегрузок достигается применением различных вариантов пороговых схем. Пороговые схемы обычно нагружаются на ключевые цепи, включающие питание реле, коммутирующих головки ГГ. Для защиты от кратковременных перегрузок применяются релейные устройства с порогами срабатывания существенно меньшими, чем тепловые постоянные головок Тпор=10-20 мс.

Во многих АС используются различные – варианты индикации перегрузок, например на светодиодах, включающихся в момент срабатывания реле. Подобные схемы применены в отечественной системе 100 АС-003 «Орбита».

В ряде АС используются схемы, предназначенные для коррекции формы АЧХ в различных поддиапазонах (НЧ, СЧ, ВЧ), называемые регуляторами тембра. Как правило, они реализуются в виде пассивных Г-образных или дискретных аттенюаторов, позволяющих изменять уровень сигнала.

Клеммы в АС высшего класса обычно применяются типа пружинного типа специальной конструкции.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *