Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

глава8-БОНЧ / Глава -АС,ГГ,СТ / раздел3-рупорные громкоговорители

.doc
Скачиваний:
75
Добавлен:
17.04.2015
Размер:
156.67 Кб
Скачать

12

8.3. Рупорные громкоговорители.

Одним из самых распространенных видов аудиоаппаратуры широко используемой в настоящее время являются рупорные громкоговорители.По ГОСТ 16122-87 рупорный громкоговоритель определяется как "громкоговоритель-акустическим оформлением которого является жесткий рупор" [1].Таким образом,рупор можно считать полноправным акустическим оформлением наряду с рассмотренными ранее в разделе 8.2.3. Способность рупоров усиливать и направлять звук в нужном направлении (давно используемая при создании музыкальных инструментов) привели к тому ,что рупорные громкоговорители стали применяться с самого начала развития электротехники ,они появились даже раньше чем диффузорные громкоговорители.

Однако создание реального рупорного громкоговорителя с конструкцией очень близкой к современной, начинается с 1927 года, когда известные инженеры фирмы Bell laboratories (США) А.Тhuras and D.Wente разработали и на следующий год запатентовали "компрессионный рупорный излучатель". В качестве громкоговорителя(драйвера) использовался электромагнитный преобразователь с бескаркасной катушкой из намотанной на ребро алюминиевой лентой . Диафрагма драйвера была сделана из обращенного вниз алюминиевого купола. Уже тогда использовалась и предрупорная камера и так называемое тело Венте ( о них подробнее расскажем позже). Первая серийно выпускаемая промышленностью модель 555/55W (ф."Western Electric) широко применялась в кинотеатрах 30-х годов.

Значительным шагом по пути расширения диапазона в сторону низких частот было изобретение P.Voigt(Англия),где впервые было предложено использовать «свернутые” рупора, которые широко применяются в настоящее время. Впервые сложные конструкции свернутых низкочастотных рупоров для высококачественных акустических систем были разработаны Paul Klipsh в 1941г и получили название Клипшхорн .На базе этой конструкции с рупорным оформлением фирма до сих пор производит высококачественные акустические системы.

Необходимо отметить, что в России первые образцы рупорных громкоговорителей были созданы в 1929г (инж.А.А.Харкевич и К.А.Ломагин).Уже в 1930-31гг были разработаны мощные до 100вт рупорные громкоговорители для озвучивания Красной и Дворцовой площади.

В настоящее время область применения рупорных громкоговорителей чрезвычайно широка, это и системы озвучивания улиц, стадионов, площадей, системы звукоусиления в различных помещениях, студийные мониторы, портальные системы, бытовые высококачественные системы, системы оповещения и др.

Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены прежде всего тем, что они обладают большей эффективностью, их КПД составляет 10%-20% и более (в обычных громкоговорителях КПД меньше 1-2%); кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления.

Принцип их работы состоит прежде всего в том, что рупорный громкоговоритель (РГ) является трансформатором акустического импеданса. Одной из причин низкой эффективности ГГ прямого излучения является большая разность в плотности между материалом диафрагмы и воздухом, а следовательно и малое сопротивление (импеданс) воздушной среды колебаниям громкоговорителя. Рупорный громкоговоритель (за счет использования рупора и предрупорной камеры ) создает дополнительную нагрузку на диафрагму, что обеспечивает лучшие условия согласования импедансов и тем самым увеличивает излучаемую акустическую мощность. Это дает возможность получить большой динамический диапазон, меньшие нелинейные искажения, лучшие переходные искажения и обеспечить меньшую нагрузку на усилитель. Однако, при использовании рупорных громкоговорителей возникают специфические проблемы: для излучения низких частот, необходимо значительно увеличивать размеры рупора, кроме того большие уровни звукового давления в малой предрупорной камере создает дополнительные нелинейные искажения и т. д.

Классификация: рупорные громкоговорители можно разделить на два крупных класса- широкогорлые и узкогорлые. Узкогорлые РГ состоят из купольного громкоговорителя специальной конструкции, называемого драйвером, рупора и предрупорной камеры (часто с дополнительным вкладышем,называемом фазосдвигателем или телом Венте).Широкогорлые РГ используют обычные мощные динамические головки громкоговорителей прямого излучения и рупор, диаметр горла которого равен диаметру головки.

Кроме того, они могут быть классифицированы по форме рупора: экспоненциальные, свернутые, многоячеистые, биполярные, радиальные и др. Наконец, их можно разделить по частотной области воспроизведения :низкочастотные(как правило, свернутые),средне- и высокочастотные, а также по области применения в служебной связи(например, мегафоны),в концертно-театральной аппаратуре(например, в портальных системах),в системах озвучивания и др.

Основы устройства: основные элементы узкогорлого рупорного громкоговорителя, показанные на рис.8.32,включают в себя : рупор, предрупорную камеру и драйвер.

Рупор- представляет собой трубу переменного сечения, на которую нагружен драйвер. Как уже было отмечено выше, он является одним из разновидностей акустического оформления. Без оформления громкоговоритель не может излучать низкие частоты из-за эффекта короткого замыкания. При установке громкоговорителя в бесконечный экран или в другой вид оформления излучаемая им акустическая мощность зависит от активной составляющей сопротивления излучения Рак=1/2v2Rизл. Реактивная составляющая сопротивления излучения определяет только присоединенную массу воздуха.На низких частотах ,когда длина волны больше размеров излучателя ,вокруг него распространяется сферическая волна,при этом на низких частотах излучение мало,преобладает реактивное сопротивление,по мере повышения частоты возрастает активное сопротивление,которое в сферической волне равно Rизл=cS(ka)2/2 (в плоской волне оно больше и равно Rизл= сS),S-площадь излучателя, а - его радиус, к- волновое число. Особенностью сферической волны является еще и то, что в ней давление достаточно быстро падает пропорционально расстоянию p~1/r. Обеспечить излучение на низких частотах(т.е. устранить эффект короткого замыкания)и приблизить форму волны к плоской можно, если излучатель поместить в трубу сечение которой возрастает постепенно. Такая труба и называется рупором.

Входное отверстие рупора, в котором располагается излучатель называется горлом, а выходное отверстие, излучающее звук в окружающую среду, — устьем. Поскольку рупор должен увеличивать нагрузку на диафрагму, горло должно иметь маленький радиус(площадь),только при этом происходит эффективная трансформация энергии. Но при этом он должен иметь достаточно большой диаметр устья, т.к. в узких трубах ,где длина волны- -больше радиуса выходного отверстия -а-,(т.е. выполняется условие >8a),большая часть энергии отражается обратно, создавая стоячие волны, это явление используется в музыкальных духовых инструментах. Если отверстие трубы становится больше (<a/3),то Rизл приближается к сопротивлению воздушной среды и волна беспрепятственно излучается в окружающее пространство устьем рупора.

Форма образующей рупора должна быть выбрана таким образом, чтобы уменьшить "растекание" энергии, т.е. быстрый спад звукового давления ,следовательно трансформировать сферическую форму фронта волны таким образом, чтобы она приближался к плоской волне, что увеличивает сопротивление излучения (в плоской волне оно выше чем в сферической) и уменьшает скорость убывания давления; кроме того, выбор формы образующей позволяет концентрировать звуковую энергию в заданном угле, т. е. формирует характеристику направленности.

Таким образом, рупор должен иметь небольшие размеры горла, причем сечение у горла должно медленно возрастать, размеры же устья следует увеличивать. Чтобы большие размеры устья могли быть достигнуты при приемлемой осевой длине рупора, скорость возрастания сечения рупора должна возрастать по мере увеличения площади сечения(рис.8.33). Этому требованию отвечает, например, экспоненциальная форма рупора:

Sx=S0e x , (8.2)

где Sо — сечение горла рупора; Sx — сечение рупора на произвольном расстоянии х от горла; — показатель расширения рупора. Единицей измерения  является 1/м. Показатель расширения рупора есть величина, измеряемая изменением сечения рупора, приходящимся на единицу его осевой длины. Экспоненциальный рупор изображен на рис. 2, где показано, что отрезку осевой длины рупора dL соответствует постоянное относительное изменение сечения. Анализ волновых процессов, происходящих в экспоненциальное рупоре, показывает, что сопротивление излучения, на которое нагружен излучатель, зависит от частоты (рис.8.34). Из графика следует, что в экспоненциальном рупоре волновой процесс возможен лишь при условии, что частота колебаний излучателя превышает некоторую частоту, называемую критической (fкр). Ниже критической частоты активная составляющая сопротивления излучения рупора равна нулю, сопротивление является чисто реактивным и равным инерционному сопротивлению массы воздуха в рупоре. Начиная с некоторой частоты, которая примерно на 40% выше критической, активное сопротивление излучения превышает реактивное, поэтому излучение становится достаточно эффективным. Как следует из графика на рис.8.34, на частотах, более чем в четыре раза превышающих критическую частоту, сопротивление излучения остается постоянным. Критическая частота зависит от показателя расширения рупора следующим образом: кр=с/2,где с скорость звука. (8.3)

При значении скорости звука в воздухе при температуре 20град 340м/сек, можно получить следующее соотношение между показателем расширения рупора и критической частотой fкр(Гц): ~0,037fкр.

От показателя расширения рупора зависит не только величина критической частоты рупора, а следовательно, и частотная характеристика сопротивления излучения, но и габариты рупора. Осевая длина рупора может быть определена из формулы (1) при х=L как:

L=1/ ln Sl/ S0 (8.4)

Из выражения (3) можно сделать следующий вывод: поскольку для снижения критической частоты рупора следует уменьшать показатель расширения рупора(2), осевая длина рупора L должна при этом увеличиваться. Эта зависимость составляет главную проблему использования рупорных громкоговорителей в высококачественных акустических системах и служит причиной применения "свернутых" рупоров. Следует указать, что при построении графика сопротивления излучения экспоненциального рупора (рис.8.36) не учтено отражение волн от устья внутрь рупора, которое всегда частично имеет место для рупоров конечной длины. Образующиеся при этом стоячие волны создают некоторые колебания в значениях сопротивления излучения . Отражение звука от устья рупора происходит только в области нижних частот. При увеличении частоты акустические свойства сред (в рупоре и вне рупора) выравниваются, отражение звука внутрь рупора не происходит, входное акустическое сопротивление рупора остается почти постоянным.

Предрупорная камера: поскольку излучаемая акустическая мощность громкоговорителя зависит от активного сопротивления излучения и колебательной скорости излучателя, то для ее увеличения в узкогорлых рупорных громкоговорителях используется принцип акустической трансформации сил и скоростей, для чего размеры горла рупора 2 в несколько раз уменьшают в сравнении с размерами излучателя 1 (рис.8.35). Образующийся объем между диафрагмой и горлом рупора 3 называется предрупорной камерой. Можно условно представить ситуацию в предрупорной камере как колебания поршня, нагруженного на широкую трубу площадью S1, переходящую в узкую трубу S0(рис.8.35 ).Если бы поршневая диафрагма была нагружена только на широкую трубу с площадью равной площади диафрагмы (широкогорлый рупор),то ее сопротивление излучения было бы равно Rизл=сS1,и излучаемая ею акустическая мощность приближенно была бы равна Ра= 1/2Rизлv12=1/2сS1v12(эти соотношения строго выполняются только для плоской волны,но могут быть при определенных допущениях применяться и в данном случае[9].)При установке диафрагмы в предрупорную камеру, т.е. нагрузке ее на вторую трубу с узким входным отверстием, возникает дополнительное сопротивление(импеданс)колебаниям диафрагмы (за счет отраженной волны возникающей на стыке двух труб).Величина этого импеданса ZL(отнесенного к месту входа во вторую трубу т.е. при х=L )может быть определена из следующих соображений: если допустить, что воздух в предрупорной камере несжимаем, то давление р, которое создается в камере при действии силы F1 на поршень(диафрагму) площадью S1, передается воздуху в горле рупора и обусловливает силу F0, действующую в горле рупора с площадью S0:

р=F1/S1 , F0=pS0 (8.5).

Отсюда получаются следующие соотношения:F1/S1=F0/S0, F1/F0=S1/S0.Отношение площади излучателя к площади горла рупора S1/S0 называется коэффициентом акустической трансформации и обозначается п. Cледовательно, отношение сил можно представить как: F1=nF0. Из условия равенства объемных скоростей диафрагмы и воздуха в устье рупора (т. е. из условия сохранения объема воздуха вытесняемого диафрагмой при смещениях из предрупорной камеры) получаются соотношения: S1v1=S0v0или:v0/v1=S1/S0=n. (8.6).

Полученные соотношения позволяют сделать следующий вывод: диафрагма под действием большей силы (F1> F0) колеблется с меньшей скоростью (V1<. V0), значит, она испытывает большее сопротивление среды при колебаниях. Значение ZL в таком случае (учитывая, что импеданс по определению есть отношение силы к скорости колебаний ZL=F1/v1) будут равны с учетом соотношений (8.5)и (8.6): ZL=F1/v1=S1p/v1=S1p/{v0S0/S1}=(S12/S02 )S0p/v0. (8.7)

Если бы поршень стоял на входе узкой трубы, то его сопротивление было бы равно Rизл=сS0,при этом по определению Rизл=F0/v0=S0p/v0,т.е. S0p/v0=сS0, подставив это выражение в формулу (8.7) получим:

ZL =(S12/S02 )S0с=(S1/S0 ) S1с. (8.8)

Такое умножение импеданса сS0 на коэффициент (S12/S02 ) эквивалентно применению некоторого понижающего трансформатора ,что видно на соответствующей эквивалентной электрической схеме (рис.8.37 )

Следовательно,если при наличии дополнительного сопротивления излучаемая акустическая мощность увеличится и будет равна:

Ра=1/2cZL=1/2сS1v12(S1/S0). (8.9)

Таким образом, использование акустической трансформации за счет предрупорной камеры позволяет увеличить акустическую мощность в (S1/S0) раз, что существенно увеличивает эффективность работы рупорного громкоговорителя. Величина коэффициента акустической трансформации ограничена, так как она зависит от площади излучателя (S1) и площади горла рупора (Sо). Увеличение площади излучателя связано c возрастанием его массы. Излучатель большой массы имеет на верхних частотах имеет большое инерциальное сопротивление, которое становится соизмеримым с сопротивлением излучения. В результате на верхних частотах уменьшается колебательная скорость, следовательно, и акустическая мощность. Коэффициент акустической трансформации увеличивается при уменьшении площади горла рупора, но это также допустимо в определенных пределах, т.к. приводит к увеличению нелинейных искажений. Обычно коэффициент акустической трансформации выбирают порядка 15—20.

Эффективность рупорного громкоговоритель может быть приближенно оценена по формуле: КПД=2RERET/(RE+RET)2x100%, (8.10)

где RE-активное сопротивление звуковой катушки, RET=S0(BL)2/cS12 ,где B-индукция в зазоре, L-длина проводника. Максимальное КПД равное 50%достигается, когда RE= RET, что на практике получить не удается.

Нелинейные искажения в рупорных ГГ определяются как обычными причинами,возникающими в головках громкоговорителей: нелинейным взаимодействием звуковой катушки с магнитным полем,нелинейной гибкостью подвеса и др.,так и особыми причинами,а именно высоким давлением в горле рупора ,при этом начинают сказываться термодинамические эффекты, а также нелинейная компрессия воздуха в предрупорной камере.

Излучатель,который используется для рупорных громкоговорителей представляет собой обычный электродинамический громкоговоритель.Для широкогорлых рупоров (без предрупорной камеры) это мощный низкочастотный громкоговоритель.Широкогорлые рупора используются сейчас в качестве низкочастотного оформления в ряде конструкций акустических агрегатов,например ф Genelek (эта технология называется waveguide TL),портальных систем для озвучивания и т.д.

В узкогорлых рупорных громкоговорителях применяются специальные типы электродинамических громкоговорителей (обычно они называются драйверы).Пример конструкции показан на рис.8.32. Как правило, они имеют купольную диафрагму из жестких материалов (титановая, бериллиевая ,алюминиевая фольга, пропитанная стеклоткань и др.), изготовленную вместе с подвесом (синусоидальной или тангенциальной гофрировки).К наружному краю диафрагмы крепится звуковая катушка (каркас из алюминиевой фольги или жестких видов бумаги с двух или четырехслойной намоткой).Подвес закрепляется специальным кольцом на верхнем фланце магнитной цепи. Над диафрагмой устанавливается противоинтерференционный вкладыш (тело Венте)-акустическая линза для выравнивания фазовых сдвигов акустических волн излучаемых различными участками диафрагмы. В некоторых высокочастотных моделях используются специальные кольцевые диафрагмы .

Для анализа работы рупорных громкоговорителей в области низких частот используется метод электромеханических аналогий[5,6,10]. Методы расчета в основном используют теорию Thiele-Small ,на которой построены методики расчета обычных диффузорных громкоговорителей. В частности, измерение параметров Thiele-Small для драйвера позволяют оценить форму АЧХ для низкочастотных рупорных громкоговорителей. На рис.8.37 показана форма АЧХ,где частоты перегиба кривой определяются следующим образом:fLC=(Qts)fs/2; fHM= 2fs/ Qts; fHVC=Re/ Le ; fHC=(2Qts)fs Vas/Vfs;где Qts –общая добротность;fs\резонансная частота излучателя; Re ,Le –сопротивление и индуктивность звуковой катушки,Vfs –эквивалентный объем,Vas-объем предрупорной камеры.

Полный расчет структуры звукового поля ,излучаемой рупорными громкоговорителями, в том числе с учетом нелинейных процессов, производится численными методами (МКЭ или МГЭ),например, с помощью пакетов программ: http://www.sonicdesign.se/ ;http://www.users.bigpond.com/dmcbean/ ; http:/melhuish.org/audio/horn.htm.

Поскольку одной из главных задач рупорных громкоговорителей является формирование заданной характеристики направленности, что имеет принципиально важное значение для систем озвучивания различного назначения, то в настоящее время используется большое разнообразие форм рупоров, основные из которых следующие:

= экспоненциальный рупор, с ним сделано большинство рупорных громкоговорителей для озвучивания открытых пространств ,например отечественные модели 50ГРД9,100ГРД-1 и др;

= секционные рупора, которые были разработаны для борьбы с обострением характеристики направленности на высоких частотах (рис.8.38).Секционный рупор состоит из некоторого количества рупоров небольших размеров ,соединенных вместе горлами и устьями. При этом их оси оказываются развернутыми в пространстве веером, хотя направленность каждой ячейки обостряется с частотой, общая направленность группового излучателя остается широкой .

=радиальный рупор имеет различную кривизну по разным осям (рис.8.39а,б).Ширина диаграммы направленности показана на рис.8.43б., из которого видно, что в горизонтальной плоскости она почти постоянна, в вертикальной площади уменьшается Такие виды рупоров применяются в современных студийных мониторах, кроме того, они используются в кинотеатральных системах.

=для расширения характеристики направленности в рупорных громкоговорителях применяются также акустические рассеивающие линзы(рис.8.40).

=дифракционный рупор (рис.8.41а,б) имеет узкое открытие в одной плоскости и широкое в другой. В узкой плоскости он имеет широкую и почти постоянную диаграмму направленности, в вертикальной более узкую. Варианты таких рупоров широко используются в современной звукоусилительной технике.

=рупора равномерного покрытия (после ряда лет исследований были созданы на фирме JBL), позволяют контролировать характеристику направленности в обеих плоскостях (рис.8.42а,в).

=Особая форма свернутых рупоров применяется для создания низкочастотных излучателей рис.8.43. Первые кинотеатральные системы со свернутым рупором для кино были созданы еще в 30 годы. Свернутые рупоры как в узкогорлых так и в широкогорлых громкоговорителях широко используются в настоящее время для высококачественных контрольных агрегатов, для мощных акустических систем в концертно-театральной аппаратуре и др.

В производстве имеются в настоящее время и другие разновидности рупоров как для аппаратуры звукоусиления, так и для бытовой аудиоаппаратуры. В практике озвучивания больших концертных залов, дискотек, стадионов и др. используются также подвесные комплекты рупорных громкоговорителей называемые кластерами.