акустика лекции / Лекция 15. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

ЛЕКЦИЯ 15.

Громкоговорители

(продолжение)

Входное сопротивление колебательной системы головки громкоговорителя (полное сопротивление)

, (15.1)

где Z_э – электрическое сопротивление катушки.

, (15.2)

где Z_вн – сопротивление, вносимое элементами механической колебательной цепи, включенными последовательно; l – число витков,

. (15.3)

Через электромеханические аналоги – это параллельно включенные соответствующие электрические элементы.

Z_M0 - собственное механическое сопротивление подвесной системы

, (15.4)

, (15.5)

, (15.6)

где R_M – сопротивление трения, возникающее при изгибе гофрированного воротника и центрирующей шайбы; С_М – гибкость; – соколеблющаяся масса воздуха; m₀ – масса подвижной системы; – определяет отдаваемую мощность; R_к, L_к – сопротивление и индуктивность звуковой катушки.

Излучаемая акустическая мощность

, (15.7)

где υ – амплитуда колебательной скорости излучаемой поверхности; U_m – амплитуда подводимого напряжения.

. (15.8)

Действительное излучение в пространство определяется R_изл (действительной составляющей). X_изл – соколеблющаяся масса (реактивная составляющая).

Частотная характеристика Г в звуковом диапазоне должна быть горизонтальной, тогда необходимо, чтоб R_изл, Z_вх были бы частотно независимыми. Но строго оценить R_изл, Z_вх сложно (материал диффузора, особенности колебательного процесса). Теоретически диффузор (рис. 15.1) рассматривают как круглый поршень, который колеблется либо в свободном пространстве (1), в плоском экране (2), в корпусе с открытой (3), с закрытой (4) задней стенкой. Такая аналогия справедлива для области НЧ.

Рис.15.1. Варианты акустического оформления диффузора

1 – круглый поршень в свободном пространстве; 2 – круглый поршень в плоском бесконечном экране; 3 – круглый поршень в корпусе с открытой задней стенкой; 4 – круглый поршень в корпусе с закрытой задней стенкой.

Нормированные значения сопротивления излучения представлены на рис.15.2, где S – площадь излучателя, ρс – волновое сопротивление среды, d – размер излучателя.

Рис. 15.2. Нормированные значения сопротивления

Видно, что в области НЧ активная составляющая R’ мала. Подводимая Р_эл идет на нагрев катушки, на раскачку диффузора. С увеличением активная составляющая растет, но медленнее всего в случае 1. Так происходит из-за интерференции волн при огибании головки. При возрастании f, отдача энергии нарастает, достигает максимума в области .

2 случай – интерференции встречных волн нет, эффективность излучения нарастает с более низких частот и более круто. Случай 2 используют при озвучивании помещений. Громкоговоритель монтируют внутри настенных покрытий.

3 случай – тоже экран, но сложенный. Реактивная составляющая (4) для всех случаев сохраняет примерно одинаковый вид. С увеличением частоты реактивная составляющая падает.

На НЧ громкоговорители работают неэффективно, неблагоприятные условия излучения на НЧ компенсируют путем настройки в резонанс в этой области подвижных элементов головок.

Резонансную частоту , особенно для НЧ головок, выбирают предельно низкой, за счет создания гибкой подвески диффузора при ограниченной массе подвижной части (она вносит элемент инерционности). Большое значение имеет форма резонансной кривой.

Рис. 15.3. Частотная зависимость Z_вх(ω)

Левая ветвь Z_вх(ω) определяет граничное значение и крутизну спада частотной характеристики в области нижних частот. Правой ветви стараются придать такую форму, чтоб в совокупности с R_изл(f), Z_м(f), Z_вх(f) можно было получить горизонтальную форму частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению.

Проблему решают в комплексе с резонансными явлениями элементов акустического оформления. Для этого:

1. Создают специальные компрессионные головки с очень гибкой подвеской.

2. Их оформляют в "закрытый ящик", внутренний объем используют как элемент гибкости, при надлежащем размере можно получить хорошее приближение к требуемой частотной характеристике громкоговорителя.

В средней части звукового диапазона частотные характеристики громкоговорителей имеют ровную форму, излучение сильное, возрастает роль индуктивного сопротивления катушки громкоговорителя. Но с 1,5 кГц проявляются поверхностные колебания диффузора. Жесткость материала диффузора на ВЧ недостаточная, в радиальных направлениях возникают прямые и обратные волны, создающие фазовые сдвиги при измерении. На частотной характеристике громкоговорителя появляются неровности, уменьшается эффективная площадь диффузора. На ВЧ колебания сложны, аналоги с колебаниями поршня не происходит. Один из методов улучшения однородности в ВЧ части диапазона – укрепление в центре коаксиального усеченного конуса из жесткого картона (рис. 15.4). На НЧ, СЧ оба конуса работают как единое целое (в области СЧ он еще и действует как рассеивающее тело). На ВЧ эффективно работает внутренний, легкий жесткий конус, а большой колеблется с малой амплитудой.

Рис. 15.4. Внутренний легкий жесткий конус

Конус способствует рассеянию локальных колебаний, которые возникают на ВЧ на различных участках диффузора (трудно получить в этом диапазоне достаточную жесткость).

3. Другая возможность получения хороших частотных характеристик –комплектация громкоговорителя несколькими головками, предназначенными для воспроизведения определенных частотных зон всего диапазона.

Сравнивая диффузорный громкоговоритель с его аналогом – поршневым излучателем можно судить о характеристике направленности.

Аналитическое выражение для характеристики направленности диффузорного громкоговорителя одностороннего действия (головка с экраном и головка в закрытом ящике):

, (15.9)

где d – диаметр излучателя; J₁ – функция Бесселя 1-го порядка.

Рис. 15.5. Диаграмма направленности громкоговорителя

1) ; 2) ; 3) .

На НЧ Г обладает ненаправленной характеристикой, на более ВЧ появляется направленность, она растет в соответствии с увеличением R_изл.

В области ВЧ характеристика направленности вытягивается в направлении рабочей оси, приобретает вид кардиоиды с дополнительными боковыми лепестками. Они образуются из-за интерференции между волнами, излучаемыми с большими фазовыми сдвигами разными точками поверхности диффузора.

Для снижения интерференционных явлений и повышения эффективности использования энергии, излучаемой обратной стороной диффузора, особенно в области НЧ, используют акустическое оформление в виде фазоинвертора. Акустическая энергия через лабиринт предается в сторону прямого излучения (при соответствующей длине лабиринта фаза изменяется на обратную). Возникает синфазное сложение прямого и обратного излучения.

Ближнее поле громкоговорителя представлено на рис. 15.5.

На малых расстояниях – интерференция волн от разных участков диафрагмы.

Амплитуда звукового давления р_m в ближней зоне изменяется по сложному закону.

Рис. 15.5. Амплитуда звукового давления

Главный недостаток диффузорного громкоговорителя – низкий КПД = 3 ÷ 5%. Это происходит из-за недостаточной согласованности между собой Z_М подвижной системы и Z_изл,, а также из-за невысокой эффективности электродинамического преобразования и несовершенства систем подвески диффузора. В зависимости от требований с помощью справочников подбирают соответствующие головки из большого ассортимента отечественных и импортных производителей.

5