Закрытый ящик. Акустическое оформление

Очень большое распространение в последние годы получили закрытые АС, которые до недавнего времени были единственным видом АС для высококачественного воспроизведения как в нашей стране, так и за рубежом. И только в последние годы АС с фазоинвертором (АС с ФИ) и АС с пассивным излучателем (АС с ПИ) нарушили монополию закрытых АС. Тем не менее закрытые АС и в настоящее время являются одной из наиболее распространенных конструкций высококачественных АС в Западной Европе и довольно широко выпускаются в США, как это было видно из таблицы:

Страна	Закрытый ящик	Фазоинвертор	Пассивный излучатель	Другое оформление
США	43 %	32 %	9 %	16 %
Европа	61 %	32 %	6 %	1 %
Япония	28 %	62 %	10 %	–

На рис. 1 представлена типичная закрытая АС и ее электрический аналог. Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыкание». Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении ω₀₁ и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха S_В может быть найдено как:

S_В=γρ₀S_эфф²/V          [1]

Рис. 1. Типичная закрытая акустическая система и ее электроакустический аналог.

Эффективной площадью диффузора считают 50—60 % его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d S_эфф=0,55S=0,44d². Это эквивалентно тому, что эффективный диаметр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Упругость S_В суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки S₀ и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении вычисляется по формуле:

ω₀₁=√((S₀+S_B)/m)=ω₀√(1+S_B/S₀),          [2]

где m₀ – масса подвижной системы головки.

Как видно из [1], упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха V_Э, имеющего упругость S₀. Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении:

ω₀₁=ω₀√(1+V_Э/V)          [3]

Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, иногда применяют головки с более тяжелой подвижной системой, что дозволяет несколько снизить резонансную частоту головки в закрытом оформлении, как это видно из [2]. Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность АС.

Особенно малой эффективностью обладают так называемые малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упругость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки. Такие системы, у которых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки.

Рис. 2. АЧХ закрытой системы (ЗЯ)

Неравномерность АЧХ закрытых АС в области низких частот так же, как и открытых, определяется их добротностью (рис. 2). При Q₀₁<0,707 частотная характеристика АС равномерно понижается с понижением частоты в область низких частот и неравномерность проявляется как спад на резонансной частоте ω₀₁ по сравнению с высшими частотами. При 0,707<Q₀₁<1 частотная характеристика имеет небольшой пик на частоте ω₁ и далее спад на резонансной частоте ω₀₁. Неравномерность частотной характеристики при этом определяется подъемом на пике ω₁, и спадом на резонансной частоте ω₀₁. При Q₀₁>1 неравномерность частотной характеристики определяется только ликом на частоте ω₁ относительно горизонтальной части характеристики.

Рис. 3. Зависимость неравномерности АЧХ закрытой АС от Q₀₁.

Неравномерность частотной характеристики в зависимости от добротности закрытой АС приведена на рис. 3. Как следует из рисунка, минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q₀₁=1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия:

Q=Q₀₁/√(1+V_эфф/V)          [4]

Исследования показали, что добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8-1. В противном случае головка получается «раздемпфированной». Это означает, что при ее возбуждении, т.е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, головка помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет колебаться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте. Для слушателей это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота» низких тонов. Отметим также, что если головка помещена в закрытом ящике, ухудшается равномерность частотной характеристики в области средних и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении. Для их устранения внутренние поверхности (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия-расширения воздуха в оформлении.

Без заполнения процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиабатический процесс сменился на изотермический. В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент γ в [1], составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС. Это снижение в пределе (для компрессионной АС) достигает √1,4, так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В противном случае резонансная частота головки ω₀₁’ может быть найдена как:

ω₀₁’= ω₀₁√((1+0,75 ∙ S/S₀) ∙ (1+S/S₀))          [5]

Как практически определить, что изотермический процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления достигнут? Процесс будет достигнут, если при добавлении внутрь оформления новой порции рыхлого звукопоглощающего материала резонансная частота закрытой АС уже не понижается. Исследования авторов показали, что заполнять внутренний объем оформления более, чем на 60%, нецелесообразно. Вместе с тем количество рыхлого звукопоглощающего материала не должно быть чрезмерным, чтобы активные акустические потери в оформлении и заполнении не были значительны. Следует отметить, что степень влияния активных акустических потерь в оформлении (и заполнении) на ход частотной характеристики зависит, строго говоря, не от их абсолютных значений, а от соотношения активных акустических потерь в оформлении и полных потерь в головке. Потери в головке — это собственные акустико-механические активные потери на внутреннее трение в материале головки, трение о воздух при работе, потери в виде активной составляющей сопротивления излучения и т.д., а также «вносимые» в головку потери.

Чрезмерные активные акустические потери могут быть в АС при некачественном (с акустической точки зрения) выполнении корпуса оформления, креплении головки, при чрезмерном заполнении оформления звукопоглощающим материалом, а также при чрезмерно малых внутренних объемов оформления  (V_Э/V>8).

Пример. Расчитаем объем закрытой АС с нижней граничной частотой 50 Гц, имеющей головку со следующими характеристиками: f=38 Гц, Qts=0,8, Vas=60 л.

1. Определяем объем оформления из формулы [3]: V=50∙10^-3/((60/38)²-1)=83 л. (результат умножаем на 1000)
2. Находим добротность головки в закрытом оформлении из формулы [4]: Q₀₁=0,8√(1+60/83)=1,05. В соответствии с рис. 3 минимальная неравномерность АЧХ имеет место при Q₀₁=1. Так что полученная неравномерность частотной характеристики из-за пика на частоте ω₁ практически минимальна и составляет всего около 1,5 дБ.