Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками

ПРЕДИСЛОВИЕ

Бурный рост электроники и радиотехники в последние годы привел к созданию надежных и высококачественных проигрывателей, магнитофонов, усилителей, пультов, входящих в тракт звукозаписи-звуковоспроизведения. Однако не все элементы приборов и преобразователей, находящихся между исполнителем и слушателем, обладают одинаковым классом, хотя современное состояние звукотехники позволяет предъявлять к ним все более высокие требования. Не без основания считается, что наиболее слабое звено тракта звукопередачи его последний элемент—громкоговоритель.

Высококачественный  громкоговоритель  представляет собой двух-, трехполосную (или более) акустическую систему, в которой отдельные излучающие элементы работают в ограниченных областях частот. Верхняя граница воспроизведения высокочастотными излучателями электродинамического, ленточного, электростатического типов находится за пределами слышимого диапазона. Применение новых материалов, усовершенствования в технологии изготовления помогли создать низкочастотные головки громкоговорителей с резонансными частотами ниже 20 Гц. Но если в области верхних частот граница воспроизведения высокочастотного элемента является одновременно и верхней границей всей акустической системы, то в области низких частот в зависимости от типа акустического оформления низкочастотного излучателя эта граница оказывается, как правило, значительно выше резонансной частоты.

Сложные математические выкладки при анализе работы громкоговорителя долгое время не позволяли перейти к методам точного расчета системы излучатель—акустическое оформление. В результате до настоящего времени господствовал эмпирический метод проектирования громкоговорителей. Формулы и номограммы, полученные опытным путем для некоторых типов головок громкоговорителей, нередко неоправданно распространялись на весь класс излучателей заданного диаметра или с известной резонансной частотой. Выполнение многих рекомендаций, как правило, давало отрицательный результат.

Предлагаемый в данной брошюре метод расчета громкоговорителей основан на строгом математическом анализе работы низкочастотного излучателя в акустическом оформлении.
Незначительные упрощения эквивалентной схемы позволили представить громкоговоритель в виде фильтра пропускания высоких частот и свести задачу синтеза громкоговорителя с оптимальными частотными характеристиками к задаче, уже решенной в области радиотехники. Существенной особенностью метода является рассмотрение работы усилителя мощности, излучающей головки и акустического оформления как единого целого. Легко измеряемые параметры этих трех элементов позволяют надежно предсказать частотную характеристику в области поршневого действия излучателя и рассчитать громкоговоритель с гладкой характеристикой, частота среза которой может лежать и ниже собственной резонансной частоты головки громкоговорителя.

Ваши отзывы о брошюре просим направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, изд-во «Энергия», редакция Массовой радиобиблиотеки.

Автор

3

АНАЛИЗ РАБОТЫ ГОЛОВКИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

В ЯЩИКЕ-ФАЗОИНВЕРТОРЕ

Громкоговоритель.

Основные определения и понятия

В настоящее время в технической литературе существует нема­ло понятий, в той или иной степени определяющих последний эле­мент тракта звукопередачи. Это—громкоговоритель, динамик, аку­стическая система, звуковая колонка и т. п. В брошюре будут ис­пользованы следующие термины.

Громкоговоритель — пассивный электроакустический пре­образователь, предназначенный для излучения звука в окружающее пространство. Он может содержать одну или более излучающих го­ловок, необходимое акустическое оформление, пассивные электриче­ские устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т. п.).

Головка громкоговорителя — самостоятельный узел, предназначенный для преобразования сигналов звуковой частоты из электрической формы в акустическую.

Наиболее распространенным типом головок является электроди­намическая головка прямого излучения, состоящая из звуковой ка­тушки, помещенной в воздушный зазор магнитной системы, диффу­зора с верхним и нижним подвесами и диффузородержателя.



В отли­ чие от плоского экрана или ящика с открытой задней стенкой здесь не происходит взаимного ослабления волн от передней и тыльной сторон диффузора, поскольку образующаяся дополнительная коле­бательная цепь (масса воздуха в фазоинверсном отверстии и упру­гость воздуха в ящике) сдвигает по фазе волну, излучаемую фазоинвертором.

Низкочастотная головка громкоговорителя в ящике-фазоинверторе образует сложную колебательную систему, в широких пределах поддающуюся акустической настройке. Последнее обстоятельство определило интерес к такого рода акустическим системам и позво­лило усилиями Новака, Тиле, Бенсона, Смола и др. создать доста­точно строгую теорию работы головки громкоговорителя в ящике-фазоинверторе. Интересной особенностью этой теории является тот факт, что она описывает в качестве частных случаев также работу головки без оформления, в бесконечном экране и в полностью за­крытом ящике.

Акустическая мощность и коэффициент полезного действия

Одним из важнейших критериев качества громкоговорителя яв­ляется его частотная характеристика — зависимость развиваемого звукового давления от частоты входного сигнала. В области порш­невого действия, где направленность излучения практически не за­висит от частоты, осевая частотная характеристика совпадает с час­тотной зависимостью излучаемой акустической мощности или к. п. д. громкоговорителя. Поскольку в дальнейшем мы будем интересовать­ся работой громкоговорителя именно в этом частотном диапазоне и ввиду того, что понятия мощности и к. п. д. поддаются более стро­гому определению, условимся под частотной характеристикой гром­коговорителя подразумевать частотную характеристику его приве­денного к. п. д.


В общем виде акустическая мощность любого излучателя опре­деляется объемной скоростью U на его поверхности и активной ча­стью сопротивления излучения Rar:

 Объемная скорость находится как произведение колебательной скорости на площадь излучателя.



Сопротивление излучения Rar зависит от свойств среды, в кото­рую происходит излучение, и от свойств оформления, в котором на-

5

Рис. 1. Низкочастотная го­ловка громкоговорителя в ящике-фазоинвсрторе.

ходится излучатель. Для многих про­стых акустических оформлений выра­жение для Rar, характеризующее ме­ ру согласованности излучателя со средой, найдено теоретически. Поэто­му для рассматриваемого типа гром- коговорителя, изображенного на рис. 1, принято считать, что сопротивле­ния излучения головки и фазоинверсного отверстия равны и опреде­ляются выражением: где f—частота;  c—скорость звука; r — плотность воздуха. Так как объ­емная скорость на выходе фазоия-версного отверстия Uv образована колебаниями тыльной стороны диф­фузора, она имеет знак, противопо­ложный знаку объемной скорости на поверхности головки Ud, и выраже­ние для излучаемой громкоговорите­лем акустической мощности с учетом (1) и (2) принимает следующий вид:

Если источником сигнала для громкоговорителя является усили­тель мощности с напряжением открытой цепи Eg и выходным сопротивлением Rg, то входная электрическая мощность громкоговорителя определяется формулой



где Re,—сопротивление звуковой катушки головки постоянному току.

Коэффициент полезного действия громкоговорителя — отношение излучаемой акустической мощности к электрической, т. е. используя (3) и (4), получаем:



Таким образом, чтобы найти абсолютное значение и частотную зависимость к. п. д., т. е. частотную характеристику громкоговорите­ля, необходимо определить объемные скорости Ud и Uv на излучаю­щих поверхностях головки и фазоинверсного отверстия. Для реше­ния этой задачи удобнее всего воспользоваться методом электриче­ских аналогий, т. е. представить громкоговоритель в виде некоторой эквивалентной схемы.

6
Эквивалентная схема громкоговорителя

Метод электрических аналогий в анализе механических и акусти­ческих цепей широко известен и в применении к громкоговорителям подробно описан Беранеком.


Можно считать, что громкоговори­тель как сложный электромеханический и механико-акустический преобразователь содержит в себе три типа элементов: акустические, механические и электрические. Так, например, сопротивление излуче­ния относят к акустическим элементам, массу и гибкость подвижной системы головки—к механическим, а сопротивление звуковой катуш­ки—к электрическим. Представляя эти элементы в виде соответст­вующих полных сопротивлений, можно с помощью известных свойств преобразований перевести сопротивление одного вида в любой дру­гой с тем, чтобы вся схема, отображающая работу громкоговорите­ля, содержала лишь один тип величин. Образующиеся при этом так называемые эквивалентные акустические, механические или электри­ческие схемы являются схемами электрическими, однако они со­ставлены таким образом, чтобы токи и напряжения в их цепях со­ответствовали определенным акустическим, механическим или элек­трическим величинам.

Целесообразность сведения всех элементов громкоговорителя к полным сопротивлениям того или иного вида определяется тем, ка­кие данные о работе громкоговорителя необходимо узнать из экви­валентной схемы. Интересуясь выходными параметрами громкогово­рителя (звуковым давлением, акустической мощностью), его пред­ставляют в виде схемы, содержащей только акустические величины. Наоборот, определяя частотную зависимость полного электрического сопротивления на зажимах громкоговорителя, акустические и меха­нические сопротивления переводят в соответствующие электриче­ские величины.


Для преобразования какого-либо электрического сопротивления Ze, в эквивалентное ему механическое Zm или акустическое Za ис­пользуют следующие соотношения:



где В — плотность магнитного потока а воздушном зазоре магнитной системы головки; l—длина провода звуковой катушки в зазоре;

Sd — площадь диффузора.

Последняя величина не совпадает с площадью видимой поверх­ности диффузора, а вычисляется как площадь поршня, эквивалент­ного головке.


Практически Sd совпадает с площадью выходного от­ верстия головки за вычетом площади, занимаемой верхним подвесом.

Возвращаясь к решению задачи об объемных скоростях на по­верхности головки и в выходном отверстии фазоинвертора, предста­вим громкоговоритель в виде эквивалентной акустической схемы (рис. 2).

Следует оговориться, что здесь и далее рассматривается громко­говоритель, ящик которого имеет идеально жесткие стенки и не воз­буждается при колебаниях внутреннего объема воздуха. Такое до-

7


Рис. 2. Полная эквивалентная акустическая схема громкоговори­теля.


пущение, справедливое для громкоговорителей с достаточно крепкими стенками ящика, дает возможность не учитывать гибкость конструк­ции акустического оформления и тем самым упростить эквивалентную схему громкоговорителя.  На схеме рис. 2 усилитель мощ­ности, являющийся для громкоговорителя источником сигнала, с на­пряжением открытой цепи Eg и выходным сопротивлением Rg пре­образован в генератор напряжений, имитирующий генератор с выходным значением акустического давления


Первое после генератора полное сопротивление, представляющее собой сумму активного сопротивления звуковой катушки и выход­ного сопротивления усилителя, трансформировано с помощью (6) и (7) в акустический аналог и представлено на схеме величиной:

Остальные символы, используемые при составлении схемы рис. 2, означают: Mad — акустическая масса подвижной системы головки громкоговорителя; Cas — акустическая гибкость подвесов подвижной системы; Ras — акустическое сопротивление подвижной системы, характеризующее активные потери в подвесах; Rar1 — акустическое активное сопротивление излучения передней стороны диффузора;

Ma1 — акустическая присоединенная масса воздуха, соколеблющегося с фронтальной частью подвижной системы головки; Mab — аку­стическая присоединенная масса с тыльной стороны диффузора, Rab — акустическое активное сопротивление ящика, характеризую­щее потери за счет поглощения звука на стенках и в объеме ящика; Cab—акустическая гибкость воздуха в ящике; Rar2 — акустическое активное сопротивление излучения отверстия фаэоинвертора; Ma2 — акустическая присоединенная масса воздуха вблизи отверстий фазоинвертора; Rap — акустическое активное сопротивление, представля­ющее потери на трение при колебаниях воздуха в фазоинверсной трубе; Map — акустическая масса воздуха внутри трубы; Ral — акустическое сопротивление, определяющее активные потери за счет трения при колебаниях воздуха в отверстиях и щелях ящика.



8


Обозначенные на схеме то­ки в отдельных ветвях по сво­ им значениям равны объемным скоростям на поверхности диф­фузора Ud, внутри ящика Ub, в фазоинверсном отверстии Uv и в щелях ящика Ul.

Рис. 3. Упрощенная эквивалент­ная акустическая схема громко­говорителя.

В качестве частных случа­ев из полной эквивалентной акустической   схемы   могут быть получены схемы, характе­ризующие   работу   головки громкоговорителя в закрытом ящике, в бесконечном экране или без оформления. Схема для громкоговорителя в виде закрытого ящика получается путем простого отбрасывания ветви, представляющей собой фазоинвертор и его излучение. Головка гром­коговорителя без оформления или в бесконечном экране может быть представлена схемой, образованной из схемы рис. 2 закорачиванием элементов Cab и Rab. Различие в оформлении скажется лишь в чис­ленных значениях Rar1, Ma1, Mab.

Для последующего анализа эквивалентная акустическая схема громкоговорителя может быть значительно упрощена без заметного снижения точности конечного результата. На схеме рис. 3 три акус­тические массы Mad, Ma1 и Mab объединены в одну — Mas. Следует подчеркнуть, что такое суммирование несколько искусственно, по­скольку Mas, не является величиной фиксированной, а зависит от ус­ловий работы или измерений (от акустического оформления головки громкоговорителя). Rar1 и Rar2 опущены, несмотря на то что имен­но они ответственны за акустический выход громкоговорителя. По­следнее упрощение схемы, кажущееся на первый взгляд непозволи­тельным, становится понятным, если вспомнить, что громкоговори­тель весьма неэффективный преобразователь, к. п. д. которого состав­ляет обычно 0,1—4%. Такие значения к. п. д. являются прямым след­ствием малых сопротивлений Rar, иными словами, следствием того обстоятельства, что громкоговоритель почти не преобразует (с точ­ностью до тех же 0,1—4%) механические колебания в акустические. Это означает, что колебательная объемная скорость на поверхности диффузора и в отверстии фазоинвертора практически не изменилась бы даже при Rar1 =  Rar2 = 0.  Поскольку эквивалентная схема слу­жит только для нахождения соответствующих объемных скоростей, при ее составлении мы вправе пренебречь элементами Rar1, и Rar2 .



Это допущение оказалось особенно плодотворным потому, что исключило из схемы частотно-зависимые активные сопротивления (2).

Map и Ma2 на схеме рис. 3 собраны вместе и образуют общую акустическую колеблющуюся массу воздуха в фазоинверсной тру­бе Mav. Наконец, Ral, Rap, и Rab — сопротивления, характеризующие активные потери в щелях, в трубе и в ящике, опущены, так как для большинства случаев добротность Q цепей, в которых находятся эти сопротивления, высоки по сравнению с Q головки громкоговорителя.

При дальнейшем упрощении эквивалентной схемы громкогово­рителя последовательные активные сопротивления целесообразно

9

объединить в одно общее активное акустическое сопротивление го­ловки:


Из полученной схемы нетрудно найти токи в отдельных ее це­пях, т. е. интересующие нас объемные скорости и, подставляя их значения в (5), определить к. п. д. громкоговорителя. Опуская про­межуточные вычисления, получаем окончательно:


где  fs , y1 ,  y2 , y3 , y4  выражаются через параметры эквивалентной схемы следующим образом:

Таким образом, выражение для к. п. д. громкоговорителя получе­но в виде произведения трех сомножителей, из которых первый со­держит только физические константы среды, второй — постоянные параметры головки, а третий изменяется с частотой.

Управление формой частотной характеристики

Если отвлечься от абсолютного значения к. п. д. громкоговорите­ля, то его частотная характеристика полностью определяется послед­ним сомножителем уравнения (11). Условимся называть его норми-

10


рованной частотной характеристикой к.п.д. или просто частотной характеристикой громкоговорителя и введем обозначение:


В таком виде выражение для нормированного к. п. д. совпадает с функцией |E(jw)|2 фильтра пропускания высоких частот 4-го по­рядка, что позволяет при анализе и синтезе частотных характери­стик громкоговорителя воспользоваться приемами, уже известными в радиотехнике. Переходя к анализу формы частотной харак­теристики, целесообразно переписать уравнения (13) — (16), выра­зив коэффициенты у через более доступную для измерений систему параметров громкоговорителя.


Обозначим через fs, и  fb  две резонанс­ные частоты — собственную резонансную частоту головки в свобод­ном воздухе ( с учетом соколеблющейся массы при работе в акусти­ческом оформлении) и собственную резонансную частоту или часто­ту настройки ящика-фазоинвертора. Частота fs определена уравне­нием (12), fb находится аналогично:

Иными словами, fb — частота, на которой масса воздуха в фазоинверторе резонирует с гибкостью воздушного объема внутри ящика.


Введем далее величину Qt — общее Q головки громкоговорите­ля при работе от определенного усилителя. Qt определяется как от­ношение реактивной части акустического сопротивления головки на частоте резонанса к общему акустическому активному сопротивле­нию головки (10):


Наконец, отношение гибкости подвижной системы головки к гиб­кости воздушного объема ящика заменим эквивалентным отноше­нием:


где V—внутренний свободный объем ящика-фазоинвертора, а Vas — объем воздуха, соответствующий акустической гибкости подвижной системы:


Используя уравнения (12)—(16), (19)—(21), получаем новую систему уравнений для коэффициентов у :

11



Как следует из общего вида выражения для нормированного к. п. д. (17), форма частотной характеристики громкоговорителя за­висит от численных значений коэффициентов у при степенях fs/f. На­пример, если бы все коэффициенты у были равны 0, нормированный к. п. д. оказался бы тождественно равным 1, т. е. не зависящим от частоты. В действительности эти четыре условия: y1=0, y2=0, y3=0, y4=0 не могут быть выполнены одновременно, поскольку в уравне­ниях (22) — (25) содержатся только три переменные величины: Qt, Vas/V и fb/fs. Параметр Qt и отношения Vas/V, fb/fs названы здесь переменными в том смысле, что они легко поддаются изменению при настройке громкоговорителя. Qt  можно изменять, регулируя выход­ное сопротивление усилителя и включая последовательно с головкой активное сопротивление. Отношения Vas/V и fb/fs принимают раз­личные значения при изменении объема и частоты настройки ящика-фазоинвертора.



Поскольку каждая из величия Qt, Vas/V, fb/fs поддается на­стройке и регулировке в широких пределах, имеется возможность подбором комбинации значений y1, y2, y3 и y4 достигнуть любой же­лаемой формы кривой частотной характеристики громкоговорителя. Хотя, как было отмечено выше, условие обращения в нуль всех че­тырех коэффициентов у выражения (17) физически невыполнимо, за счет переменных Qt, Vas/V и fb/fs можно добиться, чтобы один, два или три коэффициента при степенях fs/f были равны 0. В об­ласти самых низких частот, где fs/f>1, частотная характеристика громкоговорителя определяется значениями коэффициентов при старших степенях fs/f. Напротив, в области частот fs/f<1, т. е. в эф­фективно воспроизводимом диапазоне частот, форма частотной ха­рактеристики более всего зависит от коэффициента y1. Максимально гладкой частотной характеристикой принято называть такую, в ана­литическом выражении которой большинство из коэффициентов у равно нулю, включая y1.

Некоторые типы частотных характеристик

Среди большого разнообразия типов синтезируемых частотных характеристик громкоговорителя наибольший практический интерес представляют так называемые гладкие и почти гладкие характерис­тики, соответствующие фильтрам квази-Баттерворта второго и третьего порядков, Баттерворта и Чебышева четвертого порядка.


Характеристика, гладкая с точностью до второго порядка, имеет аналитическое выражение вида

Оно получено из (17) путем приравнивания нулю коэффициен­та y1. При этом частотная характеристика стремится к своему асимптотическо-

12


му значению быстрее, чем (fs/f)2®0. Под асимптотическим понимается значение, которое принимает характеристика при f>>fs. Из уравнения (22) следует, что условие y1=0 может быть обеспече­но для любого
громкоговорителя, имеющего Qt<0,707. Кроме того, между параметрами громкоговорителя должно выполняться соотно­шение:


Характеристика, гладкая до второго порядка частоты, является типичной для громкоговорителя с акустическим оформлением в ви­де закрытого ящика.


20

этом усилитель оказывается пригодным для работы толь­ко с одним типом громкоговорителя.


Рассмотрим другие способы регулирования Qt головки. Один из них весьма прост и заключается в соединении последовательно с го­ловкой дополнительного сопротивления R'. В этом случае первое после источника сигнала сопротивление (см. рис. 3) будет


в соответствии с чем изменяются выражения (10), (19) и (34) для Rat и Qt. Если Qa и Qe головки измерены, дополнительное сопро­тивление, необходимое для получения требуемого значения Qt, опре­деляется следующим образом:

Для усилителя с нулевым выходным сопротивлением последнее выражение совпадает с (42). Однако в отличие от Rg дополнительно включенное активное сопротивление может принимать только поло­жительные значения и, следовательно, с его помощью можно лишь увеличить общее Q головки. Таким образом, для примеров 2 и 3 ре­гулирование Qt может быть осуществлено также включением после­довательно с головкой активных сопротивлений, равных 0,445 Re, и 0,17 Re, соответственно.

Если оставить в стороне способ регулирования Qt с помощью выходного сопротивления усилителя, задача уменьшения Qt головки решается довольно сложно. Выше рассматривались способы регу­лирования Qt за счет изменения сопротивления, вносимого при тор­можении звуковой катушки о магнитном поле [второго слагаемого в уравнении (10)]. В принципе имеется возможность уменьшить Qt и за счет увеличения общего акустического сопротивления головки [первого слагаемого в уравнении (10)].

Увеличить Ras — акустическое сопротивление, возникающее за счет потерь на трение в подвижной системе головки, можно, напри­мер, нанося слой вязкой смазки на верхний подвес или часть диф­фузора. Однако производить какие-либо изменения в подвижной системе головки крайне нежелательно. Они могут привести к увели­чению нелинейности подвеса или повлечь за собой ухудшение работы головки на средних или верхних частотах. Кроме того, механический способ регулирования Qt неудобен тем, что не оставляет возможно­сти вернуться к исходному состоянию головки.



Известно, что сопротивление Ras и, следовательно, Qt зависит не только от механических потерь в подвижной системе головки, но и от так называемых акустических потерь, возникающих при движении соколеблющейся массы воздуха. Явление акустического демпфирования подвижной системы головки заключается в том, что при определенных внешних акустических условиях присоединенная масса воздуха, соколеблющаяся вместе с диффузором, может те­рять часть своей энергии.

Практически демпфирование осуществляется следующим обра­зом. С тыльной стороны головки все свободные промежутки в диф-фузородержателе плотно закрываются одним или более слоями жест­кого, перфорированного мелкими отверстиями материала—дюралю­миния, пластмассы и т. д. (толщиной 1- 3 мм).

21

Воздух, заключенный между тыльной стороной диффузора и ко­жухом, при колебаниях диффузора вытесняется через отверстия, и часть энергии этого движения переходит в тепло.

Акустическое демпфирование при прочих равных условиях про­исходит тем интенсивнее, чем ближе к подвижной системе находится закрывающий ее перфорированный или жесткий пористый материал. Ясно поэтому, что, хотя и можно осуществить демпфирование по­движной системы головки с помощью единого колпака, закрывающе­го сзади всю головку вместе с диффузородержателем, эффектив­ность его действия не будет высокой.

Способ акустического демпфирования подвижной системы го­ловки позволяет в широких пределах изменять значение Qt. К сожа­лению, из-за разнообразия в конфигурациях диффузородержателей способ не поддается предварительному расчету и для получения не­обходимого значения Qt требуется экспериментальный подбор демп­фирующего материала.

Потери в акустическом оформлении

При составлении эквивалентной схемы громкоговорителя (см. рис. 3) в последующих вычислениях, формулах и при построении но­мограммы предполагалось, что активные потери, вносимые ящиком-фазоинвертором, много меньше потерь в подвижной системе головки или потерь, обусловленных торможением звуковой катушки в маг­нитном поле.


Иначе говоря, было принято, что Q акустического оформления Qb много больше Qa и Qe. Действительно, в правильно сконструированных громкоговорителях Qb в десятки раз превосхо­дит Qe, и, следовательно, расчет по формуле (17) или номограмме рис. 5 справедлив с точностью до нескольких процентов.

Для того чтобы убедиться в правильности расчетов, необходи­мо прежде всего оценить потери, вносимые акустическим оформле­нием. В тех же случаях, когда соотношение Qb»Qe не выполняет­ся, задачу расчета громкоговорителя следует решать в общем виде с учетом потерь в акустическом оформлении.

Строго говоря, потери в ящике-фазоинверторе могут быть вызва­ны тремя различными причинами: щелями и отверстиями в ящике, звукопоглощением внутри ящика или в фазоинверсном отверстии. Указанные потери на полной эквивалентной схеме громкоговорителя (см. рис. 2) представлены акустическими сопротивлениями Ral, Rab, Rap и могут быть пересчитаны в соответствующие Q: Ql, Qab и Qp.

Qb — общее Q акустического оформления определяется из вы­ражения:


Как показали многочисленные измерения, наибольший вклад в Qb вносят активные потери, возникающие за счет трения при коле­баниях воздуха в щелях и отверстиях ящика. Щели в ящике могут быть образованы некачественным соединением стенок, незаделанны­ми отверстиями из-под болтов, шурупов или выходных концов от головок, недостаточно плотным креплением головки к передней панели.

22

Рис. 6. Частотные харак­теристики громкоговори­теля с различными щеле­выми потерями в акусти­ческом оформлении.

 

1— Ql = ¥  (без потерь);  2— Ql = 10;   3— Ql = 5;  4— Ql = 3 (основные пара-метры громкоговорителя: Qt = 0,5; Vas/V = 0,61; fb/fs = 0,78).

Рис. 7. Частотные харак­теристики громкоговори­теля с различными акус­тическими потерями в ящике.

 

1— Qab = ¥ (без потерь); 2— Qab = 10; 3— Qab = 5; 4— Qab = 3 (основные пара-метры громкоговорителя:  Qt = 0,5; Vas/V = 0,61; fb/fs = 0,78).



Рис. 8. Частотные харак-теристики    громкоговори-теля с различны­ми поте-рями в трубе ин­вертора.

 

1— Qp = ¥ (без потерь); 2— Qp = 10; 3— Qp = 5; 4— Qp = 3 (основные параметры громкоговорителя:  Qt = 0,5; Vas/V = 0,61; fb/fs = 0,78).

К группе щелевых потерь акустического оформления относятся и потери, возникающие за счет утечки воздуха через неплотную по­движную систему головки, например через верхний подвес или центрирующую шайбу и пылезащитный колпачок. Отсюда следует, что щелевые потери в громкоговорителе могут оставаться достаточ­но высокими даже при самом тщательном исполнении ящика-фазо­инвертора. Обычно в зависимости от качества исполнения ящика и низкочастотной головки Qb находится в пределах 3—30. У громко­говорителей с так называемыми «крепкими» ящиками, все «швы» ко­торых, включая место крепления головки, промазаны изнутри масти­кой или пластилином, Qb не опускается ниже 10.

23

В ящиках-фазоинверторах без звукопоглощающего материала внутри ящика или в фазоинверсном отверстии Qab и Qp много боль­ше Ql и имеют значения: Qab >100, Qp >50.

Даже при наличии на стенках ящика небольшого количества звукопоглощающего материала, применяемого для предотвращения образования стоячих волн и сглаживания частотной характеристики в области средних частот, Qab остается достаточно высоким (боль­шим 30). Потери внутри ящика оказываются значительными (соот­ветствующие Qab снижаются до 3—5) лишь при плотном заполнении ящика звукопоглощающим материалом.

Малые значения Qp типичны для громкоговорителей, у которых выходные отверстия инверторов закрыты либо специальными пане­лями акустического сопротивления, либо плотной декоративной тканью.

На рис. 6—8 приведены частотные характеристики громкогово­рителей с различными потерями в акустическом оформлении. Как следует из рассмотрения кривых, при любом типе поглощения для Qb £10 частотная характеристика громкоговорителя столь заметно отличается от соответствующей характеристики громкоговорителя без потерь (Qb = ¥), что расчет акустического оформления по но­мограмме рис. 5 становится неудовлетворительным.



Расчет громкоговорителей с учетом потерь в акустическом оформлении

Выражение для частотной характеристики громкоговорителя с учетом потерь в акустическом оформлении может быть получено при анализе рис. 2 тем же способом, который был использован при выводе уравнения (11).

Однако в общем виде, с учетом всех типов потерь это выраже­ние оказывается слишком громоздким. Полагая, что при правильном построении громкоговорителя поглощение внутри ящика и в фазо­инверсном отверстии относительно невелико, можно ограничиться рассмотрением только щелевых потерь в акустическом оформлении,

В случае, когда Qb = Ql, уравнение для частотной зависимости приведенного к. п. д. совпадает с уравнением (17) для частотной ха­рактеристики громкоговорителя без потерь. Выражения для коэф­фициентов y1, y2, y3, y4 отличаются от (22)—(25) и являются слож­ными функциями Qt, Vas/V, fb/fs и Ql.

Неизменность общего вида выражения для частотной характе­ристики при любом Ql позволяет рассчитывать громкоговорители с такими же типами гладких частотных характеристик, которые полу­чались при расчете громкоговорителей без потерь в акустическом оформлении. При подстановке численного значения Ql в уравнения для коэффициентов y1, y2, y3, y4 остаются три переменные величи­ны Qt, Vas/V, fb/fs, взаимную зависимость которых, пользуясь уже известными приемами, можно выразить в виде номограмм. Такие но­мограммы для Ql = 10 и Ql = 5 приведены на рис. 9 и 10 соответствен­но. Следовательно, если в результате предварительных измерений потери в ящике известны и оцениваются Ql > 10, Ql = 10 или Ql = 5, расчет параметров ящика-фазоинвертора следует вести по номограм­мам рис. 5,9 или 10.

Методика расчета по номограммам рис. 9 и 10 полностью совпа­дает с методикой, рассмотренной ранее. Потери в ящике могут оказаться и

24



Рис. 9. Номограмма для расчета громкоговорителей с потерями в акустическом оформлении (Qb = Ql = 10).

отличными от значении, для которых построены номограм­мы.


В этих случаях для нахождения соответствующих параметров ящика-фазоинвертора и громкоговорителя можно воспользоваться приемом интерполяции. Рассмотрим применение этого способа на конкретных примерах.

Пример 1. Требуется рассчитать ящик-фазоинвертор для го­ловки, параметры которой по результатам предварительных измере­ний составляют: Qa = 4,2; Qe = 0,36; fs = 35 Гц; Vas = 0,08 м3.

Поскольку во время измерений головка помещается в некоторый произвольного размера испытательный ящик-фазоинвертор, оказыва­ется возможным предварительно оценить и Qb. Строго говоря, полу­ченное значение Qb относится непосредственно к измерительному ящику. Однако можно принять, что в окончательном варианте аку­стического оформления рассчитываемого громкоговорителя Qb не из­менится, так как при тщательном исполнении ящиков-фазоинверто­ров потери в них характеризуют в основном эффект «продуваемости» низкочастотной головки.

25



Рис. 10. Номограмма для расчета громкоговорителей с потерями в акустическом оформлении (Qb = Ql = 5).

Допустим, что в нашем примере Qb = 6. Для такого значения нет готовых графиков расчета, поэтому воспользуемся методом усред­нения данных, содержащихся в номограммах для Qb = ¥, 10, 5.

В рассматриваемой задаче не оговорены частота среза громко­говорителя f3 или объем ящика V, т. е. ищется решение акустическо­го оформления, при котором нет необходимости регулировать Qt головки. В этом смысле данный пример подобен примеру 1 (см. с. 19) и решается аналогичным образом. Для головки с Qa = 4,2 и Qe = 0,36 при работе от усилителя, выходное сопротивление которо­го Rg = 0, в соответствии с уравнением (34) Qt = 0,33. Это значение наряду с параметрами fs = 35 Гц, Vas = 0,08 м3, Qb = 6 примем в ка­честве исходного для расчета ящика-фазоинвертора.

На каждой из трех номограмм (см. рис. 5, 9 и 10) через точку с абсциссой 0,33 проводим вертикальную прямую и отмечаем орди­наты точек пересечения ее с кривыми  Vas/V,  fb/fs,  f3/fs .



Находим для Qb = ¥: Vas/V = 2,25,  fb/fs = 1,15,  f3/fs = 1,28; для Qb = 10: Vas/V = 2,15,  fb/fs = 1,18,  f3/fs = 1,34; для Qb = 5: Vas/V = 2,1,  fb/fs = 1,25,  f3/fs = 1,41.

Полученную зависимость параметров громкоговорителя от зна­чений Qb  можно выразить графически (рис. 11, а, б, в). В каждом из

26

Рис. 12. Зависимость па-ра­метров Qt  и Vas/V от 1/Qb для  громкоговорите-ля  с f3/fs = 1.

Рис. 11. Зависимость парамет­ров Vas/V, fb/fs , f3/fs от 1/Qb для головки громкоговорите­ля с Qt = 0,33.

графиков нетрудно отыскать зна­чение параметра, соот-ветствующее Qb = 6, т. е. Vas/V = 2,11, fb/fs = 1,22, f3/fs  = 1,39. Подстав­ляя в последние

отношения значе­ния; Vas = 0,08 м3 и fs = 35 Гц, на­ходим окончательно V = 0,038 м3, fb = 43 Гц,  f3 = 49 Гц.

Таким образом, с учетом потерь в акустическим оформлении найдены объем и частота настройки ящика-фазоинвертора, обеспечи­вающие для данной головки гладкую частотную характеристику. За­метим, что если бы расчет ящика-фазоинвертора производился без учета потерь в оформлении по номограмме рис. 5, решение V = 0,035 м3, fb = 40 Гц,  f3 = 45 Гц привело бы к частотной характерис­тике громкоговорителя с завалом в области частот выше fb, т. е. к характеристике, подобной кривой 2 или 3 на рис. 6. Найденные же выше параметры ящика-фазоинвертора с учетом потерь в оформле­нии дают возможность получить действительно гладкую частотную характеристику (типа кривой 1 на рис. 6). Компенсация спада час­тотной характеристики осуществляется за счет изменения объема и частоты настройки ящика-фазоинвертора, что приводит одновремен­но к некоторому увеличению частоты среза громкоговорителя.

Пример 2. Для заданной низкочастотной головки требуется рассчитать громкоговоритель с гладкой частотной характеристикой и частотой среза f3 = 35 Гц. Параметры головки и потери в акустиче­ском оформлении те же, что и в предыдущем примере: Qa = 4,2; Qe = 0,36; fs = 35 Гц; Vas = 0,08 м3, Qb = 6.



При оговоренном значении f3 расчет громкоговорителя начина­ется с определения отношения f3/fs = 1. По аналогии с примером 2

27


(см. стр. 19) на каждой из номограмм рис. 5, 9, 10 через точку с ор­динатой 1 на кривой f3/fs проводится вертикальная прямая и отме­чаются координаты точек пересечения ее с кривыми Vas/V и  fb/fs. Получаем для Qb = ¥: Qt = 0,383, Vas/V = 1,41,  fb/fs = 1; для Qb = 10: Qt = 0,398, Vas/V = 1,17,  fb/fs = 1; для Qb = 5: Qt = 0,414, Vas/V = 0,95,  fb/fs = 1.

Построив графики зависимостей параметров от 1/Qb  (рис. 12, а и б), определим для Qb = 6: Qt = 0,408 и Vas/V = 1. Отношение fb/fs в данном примере равно 1 для любых fb/fs, в том числе и для Qb = 6. Таким образом, из расчета следует, что для получения гладкой час­тотной характеристики с частотой среза f3 = 35 Гц необходимо обес­печить следующее соотношение параметров головки и акустического оформления: Qt = 0,408, Vas/V = 1,  fb/fs = 1.  Подставляя в последние отношения Vas = 0,08 м3 и fs = 35 Гц, находим объем V = 0,08 м3 и частоту настройки fb = 35 Гц  ящика-фазоинвертора. Получить нуж­ное значение Qt можно, включив последовательно с головкой актив­ное сопротивление, которое при работе громкоговорителя от усилите­ля с Rg = 0 находим по формуле (43). Оно составляет 0,26 Re .

Найденное решение дает возможность получить максимально-гладкую характеристику (fs = fb = f3), однако по сравнению с гром­коговорителем, Qb которого равно ¥, для компенсации потерь в аку­стическом оформлении требуется в 1,41 раза больший по объему ящик-фазоинвертор и несколько большее значение Qt  головки.

Частотные характеристики громкоговорителей с неоптимальными соотношениями параметров

Вследствие неточности измерений параметров головки, ошибок в расчетах или в конструкции ящика частотная характеристика гром­коговорителя может отличаться от идеальной кривой заданного типа. С учетом потерь в акустическом оформлении частотная характерис­тика громкоговорителя в области низких частот определяется значе­ниями четырех параметров: Qt , Vas/V , fb/fs , Qb.


Любое отклонение от оптимального значения (номинального значения для известной характеристики) одной или более из перечисленных величин в прин­ципе ведет к изменению формы частотной характеристики.

На рис. 6—8 показано, как искажается частотная характеристи­ка громкоговорителя при несоблюдении номинального значения Qb. Номинальным для характеристик рис. 6—8 являлось Qb = ¥. Анало­гичным образом могут быть построены частотные характеристики громкоговорителей, для которых одна из величин Qt , Vas/V или  fb/fs  не соответствует оптимальному значению (рис. 13—15).

На этих рисунках номинальными значениями, приводящими к частотной характеристике Чебышева четвертого порядка, являются: Qt = 0,5, Qb = ¥, Vas/V = 0,61,  fb/fs = 0,78.

Кривая 4 на рис. 13, 14 и кривая 3 на рис. 15 изображают час­тотную характеристику громкоговорителя с оптимальными соотно­шениями параметров, а прочие кривые соответствуют характеристи­кам громкоговорителя, один из параметров которого в 1,2; 1,5 или 2 раза отличается от номинального значения.

Как следует из рис. 13, увеличение или уменьшение значения Qt  относительно номинального приводит к появлению пика или прова­ла в частотной характеристике. Положение этого экстремума совпа-

28



Рис. 13. Зависимость частотных характеристик от значений Qt.

1 — Qt = 0,25;  2 — Qt = 0,33;  3 — Qt = 0,416;  4 — Qt = 0,5;  5 — Qt = 0,6; 6 — Qt = 0,75;  7 — Qt = 1 (основные параметры громкоговорителя: Qb = ¥,  Qt = 0,5,  Vas/V = 0,61,   fb/fs = 0,78).



Рис. 14. Зависимость частотных характеристик громкоговорите­ля от значений  Vas/V.

1 — Vas/V = 1.22;  2 — Vas/V = 0.913;  3 — Vas/V = 0.73;  4 — Vas/V = 0.61;  5 — Vas/V = 0.507;  6 — Vas/V = 0.407;  7 — Vas/V = 0.305 (основные пара­метры громкоговорителя:  Qb = ¥,  Qt = 0,5,  Vas/V = 0,61,   fb/fs = 0,78).

дает с положением второго максимума частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя.


Таким образом, при Qt, превышающем номинальное значение Qt ном, происходит подъем частотной характеристики тем больший, чем вы­ше отношение Qt/Qt ном.  При Qt/Qt ном = 2  высота пика составит 6 дБ, а при Qt/Qt ном = 4 составит 12 дБ. Наоборот, когда головка громко-

29



Рис. 15. Зависимость частотных характеристик громкоговорителя от значений  fb/fs .

1 — fb/fs = 0,52;  2 — fb/fs = 0,65;  3 — fb/fs = 0,78;  4 — fb/fs = 0,935;  5 — fb/fs = 1,17  (основные параметры громкоговорителя: Qb = ¥;  Qt = 0,5;  Vas/V = 0,61;   fb/fs = 0,78).

говорителя передемпфирована, в частотной характеристике образует­ся провал с глубиной в  6  или  12 дБ  при  Qt/Qt ном =1/2  или  Qt/Qt ном = ¼.

Отклонение от номинального значения отношения Vas/V  сказы­вается главным образом на форме частотной характеристики громко­говорителя вблизи собственной резонансной частоты ящика-фазоин­вертора fb (см. рис. 14). Для громкоговорителя с объемом ящика, превышающим расчетное значение, образующийся подъем в частот­ной характеристике приводит к повышенным переходным искажени­ям и субъективному ощущению «бубнежки». С уменьшением объема ящика диапазон воспроизведения низких частот сужается, частота среза  f3  увеличивается.

В не меньшей степени частота среза громкоговорителя оказы­вается зависящей от отношения собственной резонансной частоты ящика-фазоинвертора к собственной резонансной частоте головки в свободном воздухе fb/fs (см. рис. 15). Интересно отметить, что от­клонение от номинального значения fb/fs  в любую сторону ведет к увеличению f3. Таким образом, оптимальная настройка ящика-фазо­инвертора обеспечивает наинизшую, возможную для данных  Qt ,  Qb  и  Vas/V  частоту среза громкоговорителя.

Номограмма для расчета низкочастотных головок громкоговорителей

Как можно было убедиться на рассмотренных ранее примерах, для построения громкоговорителя с заданной частотной характерис­тикой необходимо прибегать к сложной процедуре управления  Qt  головки.


Не всегда при этом глубина регулирования оказывается до­статочной, чтобы обеспечить требуемое значение параметра. Даже если Qt головки не превышает 0,6 и имеется принципиальная воз­можность получить один

30

из типов гладких или почти гладких ха­рактеристик громкоговорителя, нет гарантии, что расчет не приведет к акустическому оформлению неприемлемо больших размеров. Эти и другие примеры могут служить еще одним подтверждением, что для многих низкочастотных головок параметры, характеризующие поведение громкоговорителя в области поршневого действия (Qt, fs, Vas), не являются оптимальными. Между тем знание соотноше­ний, связывающих параметры головки и акустического оформления и приводящих к частотным характеристикам с известными частотами среза, позволяет разумно подойти к выбору этих величин на стадии проектирования головки.

В самом деле, пользуясь номограммой, показанной на рис. 5, не­трудно найти резонансную частоту fs, и объем, эквивалентный гиб­кости Vas , которыми должна обладать головка, чтобы в ящике-фазоинверторе заданного объема V получить частотную характеристику с известной частотой среза f3  и определенного типа (с конкретным Qt). Найденные из графиков рис. 5 параметры головки  fs  и Vas  вмес­те с заданным Qt  хотя и являются достаточными для получения требуемой частотной характеристики громкоговорителя, но служат лишь отправными пунктами для выбора и расчета прочих конструк­тивных и электроакустических параметров низкочастотной головки.


Пользуясь известными формулами и исходя из найденных чис­ленных значений  Qt,  fs, Vas , можно определить механическую гиб­кость Cms и массу подвижной системы Mms , произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки Вl:

где Sd — эффективная площадь диффузора с номинальным диамет­ром головки D.

Вследствие некоторой свободы в выборе исходных данных (Qt,  f3, V, Re, D) и невозможности на практике реализовать любое полу­ченное решение (например, из-за слишком малого значения динами­ческой массы Mms или слишком большого значения В1) появляется необходимость вести расчет головки для целого набора исходных данных и затем выбрать подходящее решение.


Поиск оптимального варианта низкочастотной головки упрощается, если взаимную зави­симость параметров громкоговорителя и головки выразить в виде единой номограммы.


На рис. 16 семейства кривых частот среза f3, равных Qt и Вl, изображены в прямоугольной системе координат, по осям ординат и абсцисс которой в линейном масштабе отложены соответственно ре­зонансная частота головки в свободном воздухе fs и величина, про­порциональная механической массе подвижной системы:

31



Рис. 16. Номограмма для расчета головок громкоговорителей.

где V — объем ящика-фазоинвертора, м3; D — номинальный диаметр головки, м;  Mms , — масса, кг.

Равные частоты среза f3 обозначены на номограмме сплошными линиями, которые в области малых значений М* почти параллельны оси ординат. Это означает, что нижняя граничная частота громко­говорителя определяется в основном массой подвижной системы, практически не зависит от гибкости и, следовательно, резонансной частоты головки в свободном воздухе. Численные значения частот среза отмечены на прямой, параллельной оси абсцисс, в масштабе, пропорциональном 1/f32. При малых значениях M* частота среза громкоговорителя обращается в бесконечность и, наоборот, при  M* ® ¥   f3 ® 0.

Равные Qt также отмечены на номограмме сплошными линиями, которые в области больших значений  М*  идут под небольшим углом к оси абсцисс и сливаются с последней при  M* ® ¥ .


Значения Qt , соответствующие каждой кривой, отмечены в ле­вой части номограммы вдоль линии равной частоты среза со значе­нием 100 Гц. Сложная зависимость произведения В1, Т·м, от пара­метров головки и оформления выражается в виде кривых, равных

32

где Re,—активное сопротивление звуковой катушки, Ом; V — в м3;

D — в м. Эти кривые нанесены на графике пунктирными линиями, а численные значения, соответствующие каждой из них, вынесены на прямую, пересекающую номограмму. Заметим, что штрихпунктирные линии не являются кривыми равных (Bl)*, а служат лишь для оты­скания численных значений, лежащих внутри номограммы.



Полученная номограмма охватывает практически всю область значений, которые могут принимать параметры низкочастотных голо­вок и громкоговорителей. Диапазон изменений резонансной частоты головки в свободном воздухе составляет 13—165 Гц, нижней частоты среза громкоговорителя — 20 — 100 Гц. Область изменений Qt голов­ки в ящике-фазоинверторе перекрывает диапазон значений, типичных для частотных характеристик квази-Баттерворта третьего порядка, Баттерворта и Чебышева четвертого порядка.


Пользуясь номограммой, расчет параметров низкочастотной го­ловки, обеспечивающей в ящике-фазоинверторе заданного объема получение гладкой частотной характеристики с известной частотой среза, упрощают и сводят к следующему. Если заданы fs, V, D, Re, и Qt, определяют коэффициенты

а затем находят координаты точки пересечения f3  и Qt, т. е. резо­нансную частоту головки в свободном воздухе fs и величину М*. По уже найденному коэффициенту и значению абсциссы определяют массу подвижной системы Mms. Далее находят значение линии рав­ных (Вl)*, проходящей через указанную точку номограммы и Вl го­ловки.


Номограмма позволяет также отыскать важное с практической точки зрения решение, при котором громкоговоритель обеспечивает заданную частоту среза и обладает минимальным Вl. В самом деле, из приведенных графиков следует, что одна и та же частота среза громкоговорителя может получаться для головок, обладающих раз­личными (Вl)*. Кривая равных f3 пересекается семейством кривых равных (Вl)* с различными значениями, причем наименьшее (Вl)* соответствует головке, имеющей минимальное значение собственной резонансной частоты в свободном воздухе. Таким образом, задавая минимальное, практически достижимое значение резонансной час­тоты головки fs, на номограмме однозначно определяют точку, как место пересечения прямой с ординатой fs и кривой равной частоты среза с оговоренным значением f3. Кривая равных (Вl)*, проходя­щая через найденную точку, даст численное значение



координата точки на оси абсцисс определит значение М*.  Любое значение Вl можно далее получить, если. решая уравнение (Вl)* = const, выбрать в качестве переменных величин объем оформ­ления V или диаметр головки D. При прочих равных условиях (f3 == const, fs == const) минимальное значение Вl получается для го­ловки, рассчитанной на работу в большем оформлении и имеющей меньший диаметр.

33

К выбору этих параметров следует, однако, относиться с неко­торой осторожностью, ибо те же закономерности, которые ведут к уменьшению Вl, в еще большей степени требуют снижения массы подвижной системы головки, которая может выйти за пределы тех­нически осуществимого. Проверку практической реализуемости ис­комого или найденного решения полезно также проводить оценкой к. п. д. громкоговорителя по формуле (39) или (41). Таким образом, номограмма, наглядно отображающая общую взаимосвязанность параметров громкоговорителя, головки и акустического оформления, позволяет выбрать необходимое решение (найти нужный набор пара­метров головки), которое априори обеспечит получение заданной гладкой частотной характеристики в ящике-фазоинверторе извест­ных размеров.

В заключение необходимо сделать несколько замечаний относи­тельно тех допущений, которые пришлось принять при построении последней номограммы. При определении оси численных значений (В1)* было принято, что основной вклад в демпфирование подвиж­ной системы головки вносит торможение звуковой катушки в маг­нитном поле, т. е. Qt » Qe.

Это положение часто принимается при рассмотрении работы громкоговорителя и не вносит сколько-нибудь заметной ошибки в окончательный результат. Второе допущение относится к соотноше­нию между эффективным и номинальным диаметром головки. Пред­полагается, что эффективный диаметр Dэфф головки равен 0,74 но­минального. Если учесть, что размер диаметра входит в расчетные формулы во второй и четвертой степенях, расхождения в численных значениях В1 и Mms при других соотношениях (Dэфф = mD) могут быть значительными.


Если коэффициент пропорциональности извес­тен и отличается от 0,74, полученные из номограммы значения меха­нической массы и В1 следует умножить соответственно на (m/0,74)4  и  (m/0,74)2.

Закрытый ящик

Акустическое оформление в виде закрытого ящика можно рас­сматривать как предельный случай ящика-фазоинвертора с бесконеч­но малым отверстием. Эквивалентная акустическая схема низкочас­тотной головки в закрытом ящике может быть получена, если в схе­ме рис. 3 отбросить элементы, относящиеся к инвертору. Соответ­ствующая частотная характеристика громкоговорителя совпадает с уравнением (17) при y3 = y4 = 0.

Среди множества типов частотных характеристик, которые мо­гут быть получены для громкоговорителя в виде закрытого ящика. наибольший интерес представляют гладкие частотные характеристи­ки Баттерворта второго порядка. Эти характеристики образуются при условии выполнения соотношений между параметрами головки и ящика, выраженных уравнением (27) при fb/fs = 0. Особенностью громкоговорителей с частотными характеристиками Баттерворта второго порядка является то обстоятельство, что частота среза f3  (29) совпадает с резонансной частотой головки в ящике fc .

Графическое представление уравнений (27) и (29) образует но­мограмму для расчета громкоговорителей с акустическим оформле­нием в виде закрытого ящика. На рис. 17 в прямоугольной системе координат изображены зависимости отношений Vas/V ,  f3/fs ,  fc/fs  в

34


функции от Qt. Методика рас­чета акустического оформления громкоговорителя с известной частотой среза или с ящиком известных размеров полностью подобна методике для громко­говорителей в виде ящика-фа­зоинвертора. Номограмма по­строена для громкоговорителя без потерь в акустическом оформлении (Qb = ¥), однако практически  с удовлетвори­тельной точностью ею можно пользоваться   при   условии  Qb>10.

Рис. 17. Номограмма для расче­та громкоговорителей в виде за­крытого ящика.

Частичное заполнение ( до 20% объема) закрытого ящика поглощающим материалом с целью подавления стоячих волн и улучшения неравномсрности частотной характеристики на средних частотах мало влияет на Qb. Помимо сглаживания частот­ной характеристики, подглушение оказывается полезным еще и в том отношении, что за счет изменения закона сжатия и разрежения воз­духа при колебаниях в звукопоглощающем материале происходит увеличение эффективного объема ящика (уменьшение измеряемого отношения Vas/V). Это дает возможность по сравнению с незапол­ненным ящиком получать частотную характеристику с более низкой частотой среза или одну и ту же частоту среза в меньшем по разме­рам оформлении. Чрезмерно плотное заполнение ящика поглощаю­щим материалом приводит к обратному результату — уменьшению эффективного внутреннего объема за счет механического вытеснения воздуха и одновременно к росту потерь в ящике. Современные тен­денции в построении громкоговорителей с закрытыми ящиками за­ключаются в использовании головок с низкой резонансной частотой и большой гибкостью подвижной системы. Для таких громкоговори­телей отношение Vas/V ³ 3, а частота среза в 2 раза и более превы­шает собственную резонансную частоту головки в свободном воз­духе.

Закрытый ящик и ящик-фазоинвертор являются в настоящее время самыми распространенными типами акустических оформлений громкоговорителей. Сравнительный анализ показывает, что каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

К преимуществам громкоговорителя с закрытым ящиком отно­сят плавный спад частотной характеристики в сторону низких частот (12 дБ на октаву для закрытого ящика и 18 дБ на октаву для ящи­ка-фазоинвертора). Более плавный спад частотной характеристики обеспечивает меньшие переходные искажения.

К преимуществам громкоговорителя, выполненного в виде ящи­ка-фазоинвертора, можно отнести следующие.

При прочих равных условиях в области самых низких частот к. п. д. громкоговорителя оказывается на 3 дБ выше, чем для за­крытого оформления.


Этот выигрыш в эффективности может быть переведен в преимущество в частоте среза или объеме оформления. Так, при одинаковых к. п. д. и объемах оформлений громкоговоритель в виде

35

ящика-фазоинвертора будет иметь более низкую частоту среза, а при равных к. п. д. и частотах среза — меньший объем оформления.

Из-за лучшего согласования головки громкоговорителя со сре­дой амплитуда подвижной системы в области частоты резонанса громкоговорителя оказывается во много раз меньшей, чем у закры­того ящика. Это означает, что при равной излучаемой мощности громкоговоритель в виде ящика-фазоинвертора имеет меньшие не­линейные искажения.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ГОЛОВОК И ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

Определение Qa, Qe, fs , Vas  и Qb

Переходя к вопросам измерения параметров низкочастотных го­ловок и громкоговорителей, целесообразнее воспользоваться методом аналогий и представить громкоговоритель в виде эквивалентной электрической схемы. Эта схема может быть получена из эквивалент­ной акустической схемы (см. рис. 3) заменой последовательного со­единения полных сопротивлений на параллельное и наоборот, а так­же заменой индуктивностей на емкости и емкостей на индуктивно­сти. Значения соответствующих сопротивлений при этом должны удовлетворять соотношениям (6) и (7).

В образованной эквивалентной электрической схеме (рис. 18) ток и напряжение на Re, соответствуют току и напряжению на зажи­мах громкоговорителя, когда последний соединен с генератором на­пряжений. Частотная характеристика модуля полного электрическо­го сопротивления громкоговорителя в виде ящика-фазоинвертора êZ÷ изображена на рис. 19. Частота, соответствующая минимуму ха­рактеристики между двумя пиками, совпадает с собственной резо­нансной частотой или частотой настройки акустического оформления. Отбрасывание элементов, относящихся к ящику-фазоинвертору, пре­вращает схему рис. 18 в эквивалентную электрическую схему голов­ки громкоговорителя в свободном воздухе (рис. 20).


При этом соот­ветствующая кривая êZ÷  подобна изображенной на рис. 21.

Рис. 19. Частотная характери­стика модуля полного электри­ческого сопротивления гром­коговорителя êZ÷.

Рис. 18. Эквивалентная электри­ческая схема громкоговорителя.

36



Рис.. 20. Эквивалентная элект­рическая схема головки гром­коговорителя.

Рис. 21. Частотная характерис­тика модуля полного электри­ческого сопротивления головки громкоговорителя êZ÷.


Из анализа схемы рис. 20 следует, что на частоте резонанса го­ловки значение Q определяется следующим образом:


Они могут быть найдены с помощью кривой модуля полного электрического сопротивления (рис. 21):

Величины f`s, Q`a, Q`e взяты здесь со штрихами потому, что не учитывают изменений в присоединенной массе воздуха, возникающих при работе головки в акустическом оформлении. Чтобы уточнить параметры fs, Qa и Qe, а также определить объем, эквивалентный акустической гибкости Vas, головку закрепляют в измерительном ящике (закрытом ящике или ящике-фазоинверторе).

В закрытом ящике форма кривой êZ÷ головки громкоговорителя подобна изображенной на рис, 21. Частота, соответствующая макси­муму кривой, смещается вверх и становится равной частоте резонан­са головки в объеме ящика fc.

 

37


С помощью кривой êZ÷ на частоте fc по аналогии с измерения­ми в свободном воздухе можно вновь определить Qac  и Qec. Точные значения
параметров fs, Qa  и Qe, находятся по формулам:


Отношение Vas /V определяется следующим образом:

Зная V — внутренний свободный объем измерительного ящика, из последнего уравнения можно найти объем, эквивалентный акусти­ческой гибкости головки, Vas .

Метод определения параметров низкочастотной головки с по­мощью измерительного закрытого ящика удобен тогда, когда про­ектируется громкоговоритель с закрытым акустическим оформле­нием.


В этом случае при измерении параметров головки наилучшим образом учитывается присоединенная масса воздуха, соколеблющегося с диффузором при данном типе акустического оформления.

К недостаткам метода следует отнести неточность определения параметров при низкой собственной резонансной частоте головки и сложность измерения потерь в ящике. При малых значениях fs , весь­ма трудно сделать закрытый яшик без каких-либо утечек. «Щели» же приводят к изменению формы кривой |Z|, а именно к образова­нию вместо одного двух максимумов, один из которых находится в области частот ниже fs . Таким образом, при малых значениях fs первый максимум образуется на такой низкой частоте, что его мож­но не заметить, выполняя измерения, и принять оставшийся второй пик за единственный максимум кривой |Z|.

Метод определения параметров головки с помощью измеритель­ного ящика-фазоинвертора столь же прост, как и описанный выше. Его преимущество заключается в высокой точности нахождения па­раметров для головок с любой резонансной частотой, а также в воз­можности оценить потери в акустическом оформлении (Qb).


Определение параметров с помощью этого метода включает в себя измерение |Z| головки в свободном воздухе и нахождение f`s, Q`a, Q`e по формулам (50), (51), а затем уточнение и определение параметров fs, Qa , Qe, Vas  и Qb с помощью измерения |Z| головки в ящикс-фазоинверторе. По частотам fl , fb , fh (см. рис. 19) находят:

38

Уточненные значения Qa и Qe находятся по формулам (53) и (54).  Qb — Q громкоговорителя, обусловленное потерями в акустиче­ском
оформлении, можсг быть вычислено следующим образом:

где Rb — значение |Z| громкоговорителя в минимуме на частоте fb.

Точность определения Qb описанным способом тем выше, чем больше значение Qb (важно, чтобы Qb » 1), чем меньше потери в подвижной системе головки и чем ближе друг к другу находятся ре­зонансные частоты fs и fb .

Схема измерений

Выше было показано, что форма частотной характеристики гром­коговорителя существенно меняется при изменениях отдельных па­раметров головки.


Следовательно, для того чтобы проектировать громкоговоритель с известной характеристикой, т. е. выполнять опре­деленные соотношения между параметрами головки и акустического оформления, необходимо прежде всего надежно и точно измерить параметры низкочастотной головки. Описываемая ниже схема и ме­тодика измерений удовлетворяют этому требованию.

Измерения начинаются с возможно более точного определения сопротивлений постоянному току звуковой катушки Re и некоторо­го сопротивления калибровочного резистора Rk , которое может быть любым, но близким к Re. Дальнейшие измерения проводятся по схе­ме (рис. 22), отличающейся от классической схемы измерения |Z| громкоговорителя наличием частотомера. Активное сопротивление резистора R выбирается достаточно большим, чтобы обеспечить по­стоянство тока при измерениях. Обычно R/Re > 200. Напряжение, фиксируемое вольтметром, в этих условиях будет пропорционально |Z| громкоговорителя или головки.


Вначале в схему вместо громкоговорителя включают калибро­вочный резистор Rk, устанавливают определенное значение тока I (сотни миллиампер) и измеряют напряжение Uk на Rk. Во всех по­следующих измерениях установленный ток не изменяют. Вычисле­ниями находят напряжение, соответствующее сопротивлению по­стоянного тока звуковой катушки:

Отношение Uk/Rk определяет ток в цепи, причем оно может от­личаться от значения I , контролируемого амперметром. Однако, по-

Рис. 22. Структурная схема установки для измерений пара­метров головок и громкогово­рителей.

Г — генератор звуковой;  Ч — ча­стотомер; R — активное сопротив­ление; A —амперметр; В — вольтметр; Гр — громкоговоритель.

39

скольку в вычислениях используются только относительные величи­ны, абсолютное значение тока в схеме не имеет значения, а единст­венным требованием к вольтметру является его линейность.

Далее к выходным зажимам схемы вместо калибровочного ре­зистора включают низкочастотную головку без акустического оформ­ления.


Головку помещают по возможности далеко от ограждающих поверхностей, например подвешивают таким образом, чтобы ее аку­стическая ось занимала такое же положение, какое она принимает в громкоговорителе.

В подавляющем большинстве случаев положение оси должно быть горизонтальным.

Плавно меняя частоту генератора, по показаниям вольтметра убеждаются в том, что форма кривой |Z| соответствует изображен­ной на рис. 21, т. е. не имеет дополнительных экстремумов. Допол­нительные максимумы и минимумы могут возникнуть при закрепле­нии головки на гибкой штанге, имеющей собственный резонанс вблизи резонанса головки. В любом случае, прежде чем продолжать из­мерения, следует найти такое положение и способ крепления голов­ки, при котором кривая |Z| имеет лишь один максимум. Генератор настраивают на резонансную частоту головки f`s — частоту, соответ­ствующую максимуму напряжения, измеряемого вольтметром. Зна­чение резонансной частоты f`s, и максимального напряжения Us считывается с показаний частотомера и вольтметра.

В головках с низкой резонансной частотой вершина кривой |Z|, как правило, размыта. Поэтому для повышения точности измерения повторяют несколько раз и затем определяют окончательно f`s и Us как средние арифметические из соответствующих отсчетов.

Чтобы найти Q`a и Q`e головки, с помощью генератора и часто­томера определяют частоты f1 и f2 (см. рис. 21) ниже и выше резо­нансной частоты f`s , при которых напряжение на зажимах головки принимает некоторое значение U1,2 , меньшее Us. Например, U1,2  = 0,7 Us . Если характеристика |Z| головки предварительно измерена, значение U1,2 выбирают таким образом, чтобы оно приходилось на область максимальных крутизн кривой |Z|. В этом случае измерения f1 и f2 окажутся выполненными наиболее точно. Измерения частот следует провести несколько раз и окончательные их значения найти как средние арифметические.


Поскольку кривая |Z| симметрична в логарифмическом масш­табе частот, существует удобный метод проверки выполненных из­мерений.


Квадрат резонансной частоты должен быть равен произ­ведению частот f1 и f2 , или

Если расхождение между измеренным непосредственно значени­ем f`s  и вычисленным по (60) окажется не более 1—1,5 Гц, можно переходить к следующим этапам измерений. В противном случае следует снять по точкам характеристику |Z|, найти U1,2, действи­тельно соответствующее максимальным крутизнам |Z|, и вновь по­вторить измерения f1 и f2. Подставляя в (50) и (51) вместо сопро-

40

тивлении пропорциональные им измеренные напряжения, можно найти:


Закончив измерение параметров головки в свободном воздухе, се закрепляют в измерительном ящике (закрытом ящике или ящике-фазоинверторе) в таком положении, какое она имеет в обычном громкоговорителе. Поскольку методики измерений для обоих типов оформлений подобны, далее разбирается лишь метод определения параметров с помощью ящика-фазоинвертора. Хотя к размерам и частоте настройки измерительного ящика не предъявляется никаких особых требований, желательно, чтобы объем ящика-фазоинвертора не был слишком мал.

При малых размерах оформления частота второго по частоте максимума кривой |Z| может оказаться достаточно высокой и по­пасть в область частот, где сказывается индуктивность звуковой ка­тушки. Чтобы исключить влияние этой индуктивности, схему изме­рений пришлось бы усложнить, введя в нее специальную бифилярную индуктивность.

Головка в ящике-фазоинверторе образует низкочастотный гром­коговоритель, который включают в схему измерений. Убеждаются в том, что характеристика |Z| имеет классическую форму (соответ­ствует рис. 19). Образуемые в некоторых случаях дополнительные максимумы и минимумы на кривой |Z| указывают на наличие ще­лей в месте крепления головки или воздушных пазух, возникающих при креплении головки к толстой передней панели без скосов, или когда отверстие в панели меньше диаметра головки.

При правильной форме кривой |Z| определяют возможно более точно три частоты, соответствующие ее экстремумам: fl, fb, fh (см.


рис. 19). Одновременно проводят измерение напряжения Ub в мини­ муме кривой на частоте fb. Как и ранее, измерения проводят не­сколько раз и окончательные значения величин находят как соответ­ствующие средние значения.


Собственную резонансную частоту головки с учетом присоеди­ненной массы при закреплении ее в ящике-фазоинверторе fs, отноше­ние Vas /V и уточненные значения Qa и Qe находят по формулам (53), (54), (56), (57), а общее Q — из уравнения (34). Если вместо соответствующих сопротивлений поставить пропорциональные им из­меренные значения напряжений, то по формуле (58) можно найти Qb, характеризующее потери в оформлении:

41

Пример измерения параметров низкочастотной головки


С помощью омметра находим сопротивление постоянному току головки Re = 6,2 Ом и сопротивление постоянному току калибровоч­ного резистора Rk = 7,52 Ом. Включаем Rk в измерительную установ­ку (см. рис. 22) и находим, что при токе в цепи I = 0,03 А напряже­ние на калибровочном резисторе Uk = 0,222 В. Поскольку точное со­противление калибровочного резистора известно, можно определить ток в цепи измерительной установки


Полученное значение не соответствует показанию амперметра, и, следовательно, один из двух приборов (амперметр или вольтметр) неточен. Это обстоятельство, однако, не является важным, если характсристика используемого вольтметра линейна, а ток во время всех измерений сохраняется постоянным. Из уравнения (59) нахо­дим значение напряжения, соответствующее постоянному сопротив­лению звуковой катушки головки:

Подвешиваем далее низкочастотную головку в воздухе по воз­можности дальше от ограждающих поверхностей так, чтобы ее аку­стическая ось приняла горизонтальное положение. Включаем голов­ку в схему вместо калибровочного резистора. Плавно меняя частоту генератора, находим значение собственной резонансной частоты го­ловки f`s — значение частоты, при которой вольтметр показывает максимальное напряжение Us. Регистрируем как значение частоты, так и напряжения (табл. 1).


Повторяем измерения 5 раз и вычисля-

Таблица 1

Измеряе­- мые величины	Число измерений	Средние значения
1	2	3	4	5
f`s, Гц	32,5	33.1	31,8	33,6	32,4	32,7
Us ,В	1.796	1.810	1,782	. 1,823	1,816	1,805

Таблица 2

Измеряе- мые частоты	Число измерений	Средние значения
1	2	3	4	5
f1 , Гц	27,8	27,9	28,1	27,7	27,9	27,9
f2, Гц	38,7	38.6	38,9	38,3	38,6	38.6

42


ем средние арифметические значения f`s и Us. Находим значение на­пряжения U1,2 = 0,7Us; U1,2 = 0,7·1,805 =1,264 В.

Определяем частоты f1 и f2 ниже и выше резонанса, при кото­ рых напряжение на зажимах головки оказывается равным 1,264 В. Процедуру измерений повторяем 5 раз, результаты записываем в табл. 2 и вычисляем средние арифметические значения.


Сделаем проверку выполненных измерений. Вычислим по (60)


Полученное значение достаточно точно совпадает с измененным ранее значением f`s = 32,7 Гц. В соответствии с (61) и (62) опреде­ляем Q`a и Q`e :

Помещаем измеряемую головку в ящик-фазоинвертор, внутрен­ний свободный объем которого составляет V = 0,034 м3. Чтобы по­лучить значение свободного объема, из внутреннего объема ящика вычитаем объем, занимаемый брусьями, фазоинверсной трубой и объем, вытесняемый тыльной частью головки.

Вновь включаем громкоговоритель в схему и, плавно меняя час­тоту генератора, по показаниям вольтметра проверяем соответствие формы кривой |Z|, изображенной на рис. 19.

Считываем частоты fl, fb и fh, соответствующие максимуму и минимуму показаний вольтметра. Отмечаем также значение напря­жения Ub в минимуме на частоте fb (табл. 3). Измерения проводим 5 раз и окончательные значения величин находим как средние ариф­метические.


Из уравнения (56) находим собственную резонансную частоту головки с учетом изменений в присоединенной массе воздуха при работе в ящике-фазоинверторе:



Следовательно, за счет увеличения соколеблющейся массы соб­ственная резонансная частота головки в акустическом оформлении

43

Таблица 3

Измеряе-мые величины	Число измерений	Средние значения
1	2	3	4	5
fl , Гц	19.8	19,6	20,5	19.5	19.6	19,8
fb , Гц	50,2	49.9	49,8	50,5	49.6	50,0
fh , Гц	78,1	78,2	78,8	78,3	78,0	78,3
Ub , В	0,204	0,206	0.212	0,210	0.208	0,208

по сравнению с резонансной частотой в свободном воздухе понизи­лась и составляет 0,95f`s. Соотношение fs и f`s также можно рас­сматривать как проверочное. При правильно выполненных измере­ниях и расчетах две частоты должны отличаться друг от друга не более чем на 5—10%. Вычислим теперь отношение Vas /V . Из урав­нения (57):


Поскольку объем измерительного ящика нам известен V = 0,034 м3, можно определить объем воздуха, эквивалентный акусти­ческой гибкости головки, Vas = 3,2·0,034 =0,1088 м3. Уточненные зна­чения Qa и Qe находим по формулам (53) и (54):


При работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением (Rg = 0) Qt головки по (34) составит:


Потери в ящике-фазоинверторе оцениваем, вычисляя Qb по (63):

Наконец, используя найденные значения параметров головки, можно предварительно определить к. п. д. проектируемого громкого-

44


ворителя. Из (39) находим;

или  h = - 23 дБ.

Потери в акустическом оформлении и в подвижной системе го­ловки снижают к. п. д. громкоговорителя на 1,5—2 дБ. Таким обра­зом, практически к. п. д. громкоговорителя составит —25 дБ, или  0,3%.

Конструктивный расчет акустического оформления и настройка громкоговорителя

Измерив параметры головки  fs, Vas, Qa, Qe, Qt и определив по­тери в акустическом оформлении Qb, можно переходить к проекти­рованию низкочастотного звена громкоговорителя. Проведем при­мерный расчет громкоговорителя для низкочастотной головки с но­минальным диаметром 0,25 м — головки, параметры которой были рассчитаны.


Исходным требованием к проектируемому низкочастот­ ному громкоговорителю будем считать обеспечение гладкой частот­ной характеристики с заданной частотой среза, например с f3 = 35 Гц.

Поскольку ожидаемые потери в ящике оцениваются значением Qb = 9,6, что близко к Qb = 10, для расчета акустического оформле­ния воспользуемся номограммой, приведенной на рис. 9. Найдем от­ношение f3/fs = 35/31 = 1,13, отметим на кривой  f3/fs номограммы  точку с ординатой 1,13 и проведем через нее прямую, перпендику­лярную оси абсцисс. Координаты точек пересечения прямой с кри­выми Vas/V и fb/fs дадут требуемые значения величин: Qt = 0,37, Vas/V = 1,5,  fb/fs = 1,07.


Подставив в последние отношения измеренные значения пара­метров головки (Vas = 0,1088 м3, fs = 31 Гц ), определим объем и ча­стоту настройки ящика-фазоинвертора: V = 0,0725 м3, fb = 33,2 Гц. Для обеспечения требуемого значения Qt  последовательно с голов­кой достаточно включить активное сопротивление (43). При работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением (Rg = 0) для го­ловки с Qa = 3,32 и Qe = 0,38 получим:

Дальнейший расчет низкочастотного громкоговорителя включает в себя определение конструктивных размеров ящика-фазоинвертора, обеспечивающих как необходимый внутренний свободный объем ящика V = 0,0725 м3, так и частоту его настройки fb = 33,2 Гц. Пред­полагается обычно, что 10% объема ящика занимают брусья, инвер­тор и тыльная часть головки. Отсюда весь внутренний объем ящика должен составлять 0,08 м3. Выбрав соотношение сторон ящика рав­ным 1 : 0,8 : 0,5, найдем его высоту, ширину и глубину (м): 0,596; 0,478; 0,298. При толщине передней панели 15·10-3 м и толщине

45

остальных стенок 12·10-3 м  наружные размеры ящика-фазоинверто­ра будут  0,623 Х 0,502 Х 0,322  м.

Расчет фазоинвертора основан на определении акустической массы инвертора, которая вместе с гибкостью свободного объема ящика резонирует на частоте  fb.


Отношение длины трубы или полки Lv к площади выходного от­верстия Sv  может быть найдено по следующей формуле:



где  fb — в Гц; V — в м3; Lv/Sv — в м -1.


Подставляя в последнее уравнение численные значения свобод­ного объема и частоты настройки, получаем:

Следует отметить, что Lv  — кажущаяся длина инвертора, вклю­чающая в себя как непосредственно длину трубы или полки, так и приращение за счет краевых эффектов.

Абсолютные значения Sv и Lv при сохранении нужного отноше­ния выбираются из следующих соображений. Площадь фазоинверсного отверстия не может быть слишком малой, иначе за счет боль­шой колебательной скорости в инверторе могут возникнуть нелиней­ные искажения и посторонние призвуки. Обычно площадь Sv составляет 1/4—1 эффективной площади диффузора головки. По воз­можности Sv  приближают к верхнему пределу. Однако, чем больше площадь инвертора, тем большей должна быть его длина, чтобы отношение Lv/Sv оставалось неизменным. Размещение же большой трубы в ящике связано с усложнением его конструкции и увеличе­нием размеров.

При всех условиях свободный внутренний объем ящика не дол­жен изменяться. Кроме того, слишком длинная труба в верхней ча­сти низкочастотного диапазона перестает работать как система с со­средоточенными параметрами, что может привести к увеличению не­равномерности частотной характеристики громкоговорителя.


Для рассматриваемого примера выберем площадь фазоинверсного отверстия равной 0,3 эффективной площади диффузора. При соот­ношении эффективного и номинального диаметров Dэфф = 0,74D для головки с D = 0,25 м  площадь фазоинверсного отверстия составит:

Из условия Lv/Sv = 38,8 м-1 получим Lv = 0,305 м. Чтобы опреде­лить истинную длину инвертора, из найденного значения следует вы­честь поправку на краевые эффекты:   __


Следовательно, длина инвертора, включая толщину передней стенки, составит:

46

Конструктивно фазоинвертор может быть выполнен, например, в виде трубы круглого или прямоугольного сечения. Определив точ­ные размеры инвертора, можно проверить правильность расчета раз­меров ящика.


Полный внутренний объем ящика должен быть равен сумме необходимого свободного объема, объема, занимаемого голов­кой, инвертором и брусьями каркаса.

К расположению низкочастотной головки и фазоинверсного от­верстия на передней панели ящика не предъявляются какие-либо жесткие требования. Однако, чтобы уменьшить взаимное влияние головки и инвертора, их не помещают тесно друг к другу. Кроме того, для повышения эффективности низких частот фазоинверсное отверстие делают ниже отверстия под головку. При этом удается разместить рядом низко- и среднечастотные головки, что важно для улучшения частотной характеристики в области частоты деления многополосного громкоговорителя. Наконец, для предотвращения возникновения стоячих волн в ящике низкочастотную головку ре­комендуется располагать вне осей симметрии прямоугольной перед­ней панели.

Громкоговоритель, как правило, представляет собой двух-, трехполосную (или более) систему и, следовательно, содержит кроме низкочастотной и другие типы головок. Если в конструкции ящика не предусмотрен отдельный изолированный отсек для низкочастот­ного звена, т. е. все головки оказываются выходящими в один общий внутренний объем, рекомендуется с помощью небольших подглушенных изнутри колпаков герметично закрыть тыльные части среднечастотных и высокочастотных головок. Таким способом удается не только поднять Qb  ящика, но и уменьшить неравномерность частот­ных характеристик среднечастотных и высокочастотных звеньев.

Собрав полностью низкочастотное звено, его следует настроить, т. е. обеспечить действительное выполнение требуемых соотношений между Qb, Qt, Vas/V и fb/fs.  Для этого полученный громкоговоритель необходимо испытать по той же методике, по которой проводились испытания головки в измерительном ящике. На основании измерен­ных значений частот  fl,  fb,  fh, напряжения  Ub  и в результате ранее проведенных измерений головки в свободном воздухе могут быть вы­числены основные параметры низкочастотного звена сконструирован­ного громкоговорителя.


Поскольку измерения головки проводились без дополнительно включенных резистора или разделительного фильтра, для получения сопоставимых результатов во время измере­ний громкоговорителя за его вход следует принять зажимы головки. Соответствие Qt требуемому значению необходимо проверить рас­четом.

За счет ошибок при нахождении внутреннего объема и при изготовлении ящика и трудностей учета присоединенных масс измерен­ные и вычисленные значения Qb, Qt, Vas/V и fb/fs могут оказаться несколько отличными от ожидаемых.

Если это различие превышает 5%, необходимо провести дополни­тельную настройку низкочастотного звена. Прежде всего следует добиться того, чтобы потери в акустическом оформлении не превы­шали заданного значения. Низкое значение Qb свидетельствует либо о большом поглощении внутри ящика  (велико количество поглоща­ющего материала), либо о незаделанных отверстиях, неплотном, не­герметичном соединении стенок ящика, мест крепления головки и фазоинверсной трубы к передней панели. Параметры Qt  и  fb/fs  рас­считываются весьма точно и, как правило, не требуют дополнитель-

47

ной настройки. При необходимости, однако, Qt можно изменить с помощью дополнительного резистора или средств регулирования. Чтобы уменьшить или увеличить частоту настройки ящика и, следо­вательно, отношение fb/fs, достаточно соответственно увеличить или уменьшить длину фазоинверсной трубы или полки.

Наиболее трудно регулируемым параметром в готовом громко­говорителе является отношение Vas/V, поскольку внутренний сво­бодный объем ящика задан, a Vas, — величина постоянная. Однако, если полученное значение Vas/V  меньше требуемого (объем велик), его можно изменить, заполнив часть ящика непоглощающим мате­риалом, например пенопластом. Если же полученный свободный объем ящика оказался меньше требуемого, можно уменьшить на 10—15% отношение Vas/V, облицевав стенки ящика изнутри звукопоглотителем. Такой способ увеличения эффективного объема ящика неприемлем, если в нем уже находится достаточное количество по­глощающего материала.



В тех случаях, когда Vas/ V не поддается полной регулировке, целесообразно провести пересчет громкоговорителя под известный объем (см. пример 3, стр. 19). Полученный в результате такой перенастройки громкоговоритель будет обладать гладкой частотной ха­рактеристикой, но с несколько отличной от первоначально заданной частотой среза.


СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ     .  ................... АНАЛИЗ  РАБОТЫ  ГОЛОВКИ  ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ  В  ЯЩИКЕ-ФАЗОИНВЕРТОРЕ          .  .............. Громкоговоритель. Основные определения и понятия        ... Акустическая мощность и коэффициент полезного действия   . Эквивалентная схема громкоговорителя         .......... Управление формой частотной характеристики          ...... Некоторые типы частотных характеристик          .  ....... Абсолютное значение коэффициента полезного действия         . Три параметра низкочастотной головки громкоговорителя       . НОМОГРАММЫ  ДЛЯ  РАСЧЕТА  ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ Расчет акустического оформления           .  ........... Способы регулирования   Qt         .  ............... Потери в акустическом оформлении        .  ........... Расчет громкоговорителей с учетом потерь в акустическом оформлении           .  .................... .  . Частотные характеристики громкоговорителей  с неоптимальны-ми соотношениями параметров          .  ............. Номограмма для расчета низкочастотных головок громкоговори-телей          .  ................... .  ...... Закрытый ящик         .  ................... .  . МЕТОДЫ  ИЗМЕРЕНИЙ  ПАРАМЕТРОВ  НИЗКОЧАСТОТ­НЫХ  ГОЛОВОК  И  ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ       .  ..... Определение  Qa,  Qe,  fs, Vas и Qb       .  ............. Схема измерений     .  ................... .  . Пример измерения параметров низкочастотной головки       .  . Конструктивный расчет акустического оформления и настройка громкоговорителя        .  ................... .

Стр. 3 4 4 5 7 10 12 15 17 17 17 20 22 24 28 30 34 36 36 39 42 45

---

---