Футляр без задньої стінки
Основна частота резонансу такого футляра
де I - глибина ящика, м; S - площа отвору, м2. Збільшення акустичної потужності на основній частоті резонансу на 3-6 дБ при порівняно плоских і 6-10 дБ при глибоких футлярах надає досліджуваного звуку неприродний тембр. Якщо fЯ = fГ , то збільшення акустичної потужності на нижніх частотах найбільш значно. Доцільно використовувати гучномовець з частотою резонансу нижче частоти резонансу ящика; найбільш часто зустрічається співвідношення fГ / fЯ = 0,5 - 0,7.
Футляр без задньої кришки, як акустичне оформлення у високоякісних системах відтворення в даний час не використовують. Якщо ж немає альтернативи, то футляр повинен бути можливо більш плоским. Футляр без задньої кришки з гучномовцем слід розташовувати не ближче 20 см від стіни, яку рекомендується задемпфировать важким килимом. Якщо гучномовець повинен бути розміщений уздовж однієї із стін, то бажано уздовж короткої, ближче до її середини.
Розрахунок закритого футляра
Установка гучномовця в закритому футлярі досить великого об'єму дозволяє отримати задовільний відтворення нижніх частот, так як передня сторона дифузора повністю захищається від випромінювання задньої сторони. Це призводить до більш повільного зменшення акустичної потужності на нижніх частотах, ніж при установці гучномовця в акустичному екрані кінцевих розмірів.
Частоту резонансу гучномовця, встановленого в закритому футлярі середніх розмірів fР за умови, що гучномовець займає менше третини площі стінки, на якій він укріплений, визначають у наступному порядку:
1) визначають гнучкість підвісів рухомої системи гучномовця СР;
2) обчислюють гнучкість об'єму повітря ь футлярі за формулою
де V - об'єм повітря в футлярі, м3, дорівнює його внутрішньому об'єму за вирахуванням обсягу гучномовця, який в першому наближенні дорівнює 0,4 d4; d - діаметр дифузора, м;
3) по відношенню СГ / СВ за допомогою номограми на рис. 4-20 визначають ставлення fР / fГ, забезпечуване футляром даного об'єму V. Частоту механічного резонансу гучномовця в акустичному екрані можна взяти з табл. 4-11.
Якщо потрібно з наявним гучномовцем отримати акустичну систему у вигляді закритого футляра з резонансною частотою fР , то необхідний обсяг футляра визначають у наступному порядку:
1) беруть значення резонансної частоти гучномовця fГ в акустичному екрані з табл. 4-11;
2) визначають гнучкість підвісів рухомої системи гучномовця СГ;
3) задавшись бажаним ставленням fР / fГ , визначають за графіком на рис. 4-20 відповідне ставлення СГ/СВ і знаходять необхідну гнучкість об'єму повітря Сд в закритому футлярі;
4) обчислюють необхідний об'єм повітря всередині футляра в кубічних метрах за формулою
Повний внутрішній об'єм футляра отримують, додавши до обчисленому значенню V обсяг гучномовця.
Якщо значення fГ невідомо чи важко визначити в акустичному екрані досить великого розміру, то можна виміряти частоту механічного резонансу гучномовця fБ , без екрану і при розрахунку користуватися кривою fР / fБ на рис. 4-20.
Наведений розрахунок справедливий лише для частот f<;40/L ( L - глибина футляра в метрах). У зв'язку з цим задню сторону дифузора гучномовця в закритому футлярі потрібно захищати від відображених внутрішніми стінками звукових хвиль, що відповідають більш високим частотам, покриттям цих стінок звукопоглинальним матеріалом .
Габарити закритого футляра можна зменшити, заповнивши його скловатою або іншим подібним матеріалом. Таке заповнення рівносильне збільшенню обсягу футляра на 40%.
Якщо отримана розрахунком частота /р досить низька, то гучномовець повинен мати Q близько 1. Якщо ж частота fР неприпустимо висока, то хороші результати виходять при зниженні до значення добротності Q близько 0,1; при цьому, звичайно, необхідний підйом нижніх частот підсилювача приблизно на 6 дБ/октава починаючи з частоти
Розрахунок фазоінвертора
Фазоінвертор являє собою футляр 1 (рис. 4-21) з додатковим отвором 3, розташованим поруч з укріпленим на тій же стінці гучномовцем 2 і мають площу, як правило, рівну площі дифузора. Задавшись глибиною фазоинверсного отвори, відношенням його сторін, підрахувавши ефективну площу дифузора (визначальну площа отвору) і беручи резонансну частоту фазоінвертора fФ = fГ, за номограмою на рис. 4-22 можна визначити необхідний обсяг футляра.
Відстань від кінця тунелю до задньої стінки ящика не повинно бути менше dГ /2.
На частоті fФ фазоінвертор можна розглядати як акустичний трансформатор, покращує узгодження гучномовця з повітряної навантаженням. Хоча акустична потужність, що віддається передньою стороною дифузора, зменшується на цій частоті, загальна акустична потужність може значно зрости. Разом з тим суттєво зменшуються нелінійні спотворення і збільшується номінальна потужність гучномовця внаслідок зменшення амплітуди зміщення дифузора..
Глибина фазоинверсного отвори може варіюватися від товщини стінки футляра (рис. 4-21, а) до величини, приблизно рівної 30 / fФ при використанні тунелю 5 (рис. 4-21, б). Значна довжина тунелю дозволяє застосувати маленький ящик.
На частотах нижче fФ реакція гнучкості повітряного об'єму збільшується і утворює жорстку зв'язок між масою повітря в отворі і масою рухомої системи гучномовця. Маса повітря, таким чином, додається до маси рухомої системи і разом з гнучкістю підвісів утворює механічний контур з резонансною частотою f1 < fФ . Коли дифузор на цій частоті зміщується вперед, повітря в отворі рухається назад (і навпаки) та ефективність випромінювання незначна.
На частотах вище fФ , сопротивлениемассы повітря в отворі стає високим і фазоінвертор можна розглядати як повністю закритий футляр. Жорсткість повітряного обсягу додається до жорсткості підвісів і разом з масою рухомої системи утворює контур з резонансною частотою f2 > fФ . Випромінювання фазоинверсным отвором на частоті f2 дуже мало.
Повний електричний опір гучномовця RГ в фазоинверторе має зазвичай два максимуму (суцільна крива на рис. 4-23) на частотах f1 та f2 , розташованих по обидві сторони від частоти резонансу гучномовця в плоскому акустичному екрані fГ (штрихова лінія на рис. 4-23, де R - опір котушки гучномовця постійному струму).
Піки повного опору гучномовця в фазоинверторе істотно нижче піку гучномовця в акустичному екрані, проте відповідні їм значення Q1 і Q2 вище Qr - гучномовця в акустичному екрані. Цей недолік особливо сильно проявляється на частоті f1 , так як збільшення швидкості руху дифузора призводить до збільшення нелінійних спотворень, помітності яких сприяє відсутність корисного випромінювання на цій частоті. З цим явищем можна боротися обмеженням вихідної потужності підсилювача на частотах, близьких до f1 .
Якщо бажано, щоб частотна характеристика гучномовця в фазоинверторе була горизонтальна в нижній частині робочого діапазону частот, починаючи від /г, то необхідно виконати умову QГ = 0,6.
При збільшенні QГ значення Qg зростає, а значення QФ, зменшується і це викликає нерівномірність частотної характеристики-терисгики. Якщо зменшити Qr немає можливості, то потрібно хоча б придушити пік частотної характеристики на частоті f2, що виникає при QГ > 0,6 . Це досягається введенням в ящик звукопоглинального матеріалу 4 (див. рис. 4-21). Іноді весь обсяг заповнюють скловатою. У цьому випадку площа фазоинверсного отвори, отриману розрахунком за номограмою на рис. 4-22, слід збільшити в 2,5 рази.
Введення в фазоінвертор великої кіль-кості звукопоглинального матеріалу призводить до ослаблення випромінювання нижніх частот, і при бажанні продовжити характеристику в бік цих частот, хоча б до fГ , слід забезпечити істотний підйом нижніх частот в підсилювачі.
Налаштування фазоінвертора виробляється зміною площі отвору (наприклад, пластини, укріпленої так, щоб її поворот зраджував площа отвору) або глибини тунелю. Необхідно прагнути до того, щоб частотний інтервал, що розділяє резонансні піки повного опору, не значно відрізнявся від октави; амплітуди піків були рівні; будь-які додаткові піки, викликані виникненням стоячих хвиль в ящику, ліквідовувалися шляхом додавання демпфуючого матеріалу.
Перевага фазоінвертора в порівнянні з закритим ящиком того ж обсягу полягає у збільшенні акустичної потужності приблизно на 5 дБ в діапазоні від однієї до двох октав і зменшення нелінійних спотворень в діапазоні частот fФ - 2/ф при тій же акустичної потужності.
Недоліком фазоінвертора є більш швидке зменшення акустичної потужності на частотах нижче fФ , ніж у закритому ящику, і необхідність налаштування.
Конструювання футлярів
В футлярі, де змонтований гучномовець, на одній або декількох частотах звукового діапазону можливий резонанс, що призводить до неприємного зміни тембру звуковідтворення. Це явище проявляється найбільш сильно в частково або повністю закритих футлярах.
Зменшення вібрацій стінок сприяє застосування матеріалів з великою щільністю. Використовувана для цих цілей фанера повинна мати товщину не менше 20 мм. Хороший результат дає сухий річковий пісок, засыпаемый між двома тонкими фанерними листами. Стінки, особливо задня і частково передня, повинні бути посилені дерев'яними брусками. Можливе використання деревно-стружкової плити.
Демпфірування стінок футляра
Внутрішні поверхні футляра 1 (рис. 4-24) покриті шаром звукопоглинального матеріалу 6 товщиною не менше 10 мм (або одна з пар паралельних поверхонь шаром подвійної товщини). Однак стоячі хвилі на нижніх частотах при цьому не усуваються.
Кращий результат дає поділ обсягу футляра однією або кількома звукопоглинаючими перегородками 2, наприклад, з повсті товщиною 5-10 мм. Секції скриньки, які відокремлені від гучномовця однією або кількома перегородками, в цьому випадку вимагають дуже слабкою акустичної обробки. Верхнечастотный гучномовець 4 повинен бути захищений від випромінювання задньої сторони дифузора нижнечастотного гучномовця декількома шарами звукопоглинального матеріалу, або металевим ковпаком 5. Нижнечастотный гучномовець 3 розміщується внизу футляра.
Розміщення гучномовця
Отвір, в якому розміщується гучномовець, веде себе як труба, довжина якої дорівнює товщині стіни або дошки. Резонанси і антирезонансы цієї труби, а також відбиття від країв отвору викликають нерівномірність частотної характеристики. Очевидні рекомендації: скошування країв отвору або установка гучномовця в більш тонкому екрані, який потім розміщується в стіні або в екрані нормальної товщини.
Форма скриньки
На нижніх частотах гучномовець випромінює сферичні хвилі, і ребра скриньки, особливо ті, які становить фронтальна стінка, утворюють перешкоди на шляху звукових хвиль. Це викликає викривлення фронту хвилі (дифракцію) та вторинне випромінювання від ребер, що призводить до виникнення інтерференційних явищ, викликаючи появу на частотній характеристиці піків і провалів до ± 5 дБ. З точки зору боротьби з вторинним випромінюванням ідеальна форма - сфера, найгірша - куб із гучномовцем в центрі однієї з сторін. Прямокутний паралелепіпед з гучномовцем, розміщених ближче до однієї з коротких сторін - краще куба. Однак найкраще наближення до ідеалу дає прямокутна усічена піраміда, поставлена на прямокутний паралелепіпед (рис. 4-25). При будь-якій формі бажано, щоб ящик мав різні значення лінійних розмірів; ні один із лінійних розмірів не був багато більше або набагато менше інших; найбільший розмір скриньки не повинен перевищувати 1/4 довжини хвилі нижньої частоти робочого діапазону.
Декоративна тканина не повинна викликати значних втрат акустичної потужності. Найбільш придатна тканина з твердих, міцних (бавовняних або пластикових) вільно переплетених ниток. Застосування тканин з м'яких і пухнастих ниток небажано.
З'єднання в групи і фазирование гучномовців
Групове з'єднання утворюють кілька однакових гучномовців, розташованих близько один до іншого в одному акустичному екрані. Група гучномовців має велику площу випромінювання на нижніх частотах (що вимагало б при використанні одного гучномовця значного збільшення розмірів і маси рухомої системи); разом з тим зберігаються переваги окремого гучномовця з порівняно легкої рухомий системою -з точки зору перехідного режиму і відтворення високих частот.
Опір повітря випромінювання кожного гучномовця групи зростає на нижніх частотах в п разів (га - кількість гучномовців в групі). Це дозволило б отримати значний виграш в акустичної потужності, якби одночасно не збільшувалася кв. корінь з n разів маса соколеблюще-гося повітря. В результаті при п == 2 -:- 4 акустична потужність збільшується значно, але все ж не я раз (при тій же електричної потужності), а подальше зростання п виграшу майже не дає.
Збільшення маси соколеблющегося повітря знижує частоти резонансу кожного гучномовця групи і, отже, розширює робочий діапазон частот, особливо значно при великій я.
Найбільш задовільний з'єднання гучномовців у групу - паралельне; тоді Q системи не буде відрізнятися від QГ. Якщо необхідно, щоб опір групи було одно опору одного гучномовця, то з точки зору кращого Q групи краще застосувати послідовно-паралельне з'єднання гучномовців (число яких повинне бути дорівнює n2, де п = 1, 2, 3 ...). При будь-якому поєднанні гучномовців в групу вони повинні бути правильно сфазированы: при підключенні джерела постійного струму (наприклад, низьковольтної батареї) до вхідних затискачів дифузори всіх гучномовців повинні зміщуватися в одному напрямку. Зміна напрямку зміщення дифузора гучномовця виробляється зміною порядку включення його вхідних кінців.
Якщо розміщення групи гучномовців в закритому ящику зустрічає утруднення - необхідний обсяг футляра з розрахунку виходить неприпустимо великим, то гучномовці можна розмістити у малому акустичному екрані або ящику меншого обсягу, заповненому поглинаючим матеріалом, компенсуючи ослаблення випромінювання на нижніх частотах відповідною корекцією в підсилювачі.
До недоліків групового з'єднання відноситься значна нерегулярність частотної характеристики і характеристики спрямованості на верхніх частотах.
Двох - і трьохсмугові акустичні системи
Вибір гучномовців. Звуковідтворення з якістю по класу I зазвичай можна одержати, застосовуючи широкосмуговий гучномовець, наприклад 4ГД4, 4ГД7 або 4ГД28, або розділяючи повний діапазон частот, відповідний до цього класу, на дві смуги. Для забезпечення звуковідтворення з якістю по класу "вищий" зустрічається необхідність розділяти повний діапазон на три смуги.
Номінальний діапазон частот гучномовця, що призначається для відтворення тієї чи іншої смуги, повинен бути ширше цієї смуги на дві октави при використанні фільтрів з крутизною 6 дБ/октава і на одну октаву при використанні фільтрів з крутизною 12 дБ/октава. Частоту поділу двосмугової системи вибирають зазвичай від 400 до 1 200 Гц. У трисмугової системі нижнечастотное ланка може працювати до 300-600 Гц, среднечастотное - до 2 000- 5 000 Гц.
Поблизу частоти поділу часто виникають значні спотворення, викликані спільною роботою гучномовців. Якщо відстані від кожного з гучномовців до слухача нерівні, то частотна характеристика системи може мати значну нерівномірність, визначається фазовими співвідношеннями приходять сигналів.
Розділові фільтри. Найбільш просте підключення верхнечастотного гучномовця - через конденсатор, захищає верхнечастотный гучномовець від перевантаження на нижніх частотах. Таке включення застосовується, коли основний гучномовець має недостатньо широкий частотний діапазон. Ємність конденсатора розраховується за формулою
де fР - частота поділу, Гц; RР - повне опір гучномовця на частоті fР , Ом.
При правильно побудованому фільтрі кожен гучномовець повинен працювати лише в тій області частот, на яку він розрахований. Втрати у фільтрі в смузі пропускання повинні бути мінімальними.
Індуктивності і ємності фільтра при різної крутості зрізу, яка визначається як зміна загасання при зміні частоти на октаву, обчислюються за такими формулами.
Для крутизни спаду 6 дБ/октава (фільтр по схемі на рис. 4-26)
Для крутизни спаду 12 дб/октава (фільтр за схемою на рис. 4-27)
У формулах (4-11) і (4-12) індуктивності мають розмірність миллигенри і ємності - микрофарад.
На основі розрахунку вибирають конденсатори з найближчими великими номінальними стандартними ємностями. Для підбору ємності можливе паралельне з'єднання декількох конденсаторів. Очевидно, що при відхиленні ємності конденсатора від отриманої розрахунком величини частота поділу буде відрізнятися від заданої.
Якщо для фільтра потрібні ємності порядку десятків микрофарад і вище, то з метою зменшення його габаритів доцільно використовувати електролітичні конденсатори. Так як останні є полярними, а будуть працювати в ланцюзі змінного струму, то в кожній ланці фільтра доведеться застосувати по два зустрічно включених конденсатора, кожен з яких повинен мати ємність, можливо більш близьку до отриманої розрахунком. В ланках розділового фільтру бестрансформаторного транзисторного підсилювача можна застосувати по одному електролітичного конденсатора, дотримуючись правильну полярність їх включення.
Фільтр для три смугового акустичного агрегату (рис. 4-28) являє собою комбінацію двох розглянутих вище фільтрів. Перший відокремлює нижнечастотную область від середньочастотної; остання потім ділиться другим фільтром. Обидва фільтра не повинні мати однакову частоту зрізу; вони повинні розраховуватися лише для одного опору.
Методика розрахунку розділових фільтрів базується на припущенні рівності та активного характеру гучномовців у спільних смугах. Так як повне опір гучномовця на частоті поділу може мати значну індуктивну складову, щоб уникнути частотних спотворень в області перекриття слід враховувати при розрахунку індуктивність середньо - і нижнечастотного гучномовців як частину фільтра, тобто виготовляти котушку фільтра, що включається послідовно з гучномовцем, з індуктивністю менше розрахункової на індуктивність гучномовця.
Якщо опору гучномовців у ланках багатосмугової системи не рівні, то слід спробувати підібрати рівні опору ланок шляхом групового з'єднання (допустимо послідовне з'єднання верхнечастотных гучномовців) .
Паралельне з'єднання двох-трьох верхнечастотных гучномовців дає можливість використовувати їх у поєднанні практично з будь-яким нижечастотным гучномовцем. Можливе розбіжність у величинах повних опорів ланок акустичної системи може бути усунуто збільшенням вхідного опору верхнечастотного ланки з допомогою дільника напруги з резисторів.
Якщо в двох - або триланкової системи використовується кілька верхнечастотных гучномовців (наприклад, 1ГД-3), то їх слід розташовувати в футлярі так, щоб кут між їх осями в горизонтальній площині мав величину близько 20-30°.
Якщо ж у багатосмугової звуковідтворювальної системи використовується тільки один верхнечастотный гучномовець, має повне опір більше, ніж у гучномовця нижнечастотного ланки, то з метою вирівнювання опору навантаження розділового фільтру в області верхніх частот верхнечастотный гучномовець слід шунтувати резистором відповідного опору.
Стереофонічні акустичні системи
Гучномовці двоканальної стереофонічної системи повинні бути строго ідентичні. Їх слід розташовувати відповідно до рис. 4-29, де зона оптимального"' стереофонічного ефекту заштрихована.
Орієнтування гучномовців залежить від їх характеристик спрямованості і повинно бути визначено експериментально. Осі гучномовців не повинні перетинатися в зоні розташування слухачів.
Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru