Onlayn kitobni bepul oʻqing: ta muallif Акустические системы
Информация о книге
УДК 621.396
ББК 32.884.8я73
С16
Рецензенты:
Злобина Н. В. — канд. физ.-мат. наук, главный ученый секретарь ИПМТ ДВО РАН;
Дзюба В. П. — д-р физ.-мат. наук, проф. МГУ им. Г. И. Невельского.
Сальникова Е. Н., Стаценко Л. Г.
Настоящее пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Радиосвязь, радиовещание, телевидение» (дисциплина «Электроакустика и звуковое вещание») и «Акустические приборы и системы» (дисциплина «Электроакустические преобразователи и аппаратура») очной, заочной и дистанционной форм обучения. Содержит общие сведения, классификацию, технические характеристики, внешнее оформление, особенности конструкций громкоговорителей, описание акустических систем, практические рекомендации по расчету акустических систем, историю развития современных систем звуковоспроизведения.
Данное пособие может быть использовано для самостоятельной работы студентов.
УДК 621.396
ББК 32.884.8я73
© ДВФУ, 2007
© ООО «Проспект», электронная версия книги, 2015
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АО – акустическое оформление
АС – акустическая система
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
Г – громкоговоритель
ГТ – головные телефоны
ВЧ – высокие звуковые частоты
Д – диффузор
КОК – коэффициент осевой концентрации
КПД – коэффициент полезного действия
МАС – малогабаритные акустические системы
МЭК – Международная электротехническая комиссия
НЧ – низкие звуковые частоты
ОУ – операционный усилитель
СЧ – средние звуковые частоты
ТВ – телевидение
УМ – усилитель мощности
ФИ – фазоинвертор
ФНЧ – фильтр низких частот
ФЧХ – фазово-частотная характеристика
ХН – характеристика направленности
ЭДГ – электродинамический громкоговоритель
Hi-Fi (High-Fidelity) – высокая точность воспроизведения
CS (Center Surround) – центральный пространственный канал
DIN (Deutsches Institut fuer Normung) – Немецкий институт по стандартизации
LFE (Low Frequency Effect) – низкочастотные эффекты
LS (Left Surround) – пространственный левый канал
RS (Right Surround Canal) – пространственный правый канал
VCA (Voltage Controlled Amplifier) – усилитель, управляемый напряжением
ВВЕДЕНИЕ
Громкоговоритель (Г) – устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде. Оно содержит несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления. Устройство, которое содержит громкоговорители, фильтры, регуляторы, корпус и т.д. называется акустической системой (АС). Встречаются обозначения «акустический студийный агрегат», «акустическая система», «звуковая колонка».
В последнее время возрастают требования к качеству АС. В зависимости от назначения они имеют различные параметры, отличаются разнообразием конструкций и диапазона. Кроме недорогих массовых моделей большую часть составляют высококачественные акустические системы, относящиеся к категории Hi-Fi (High-Fidelity – высокая точность воспроизведения). В таких системах используется многополосный принцип построения, т. к. применение одной головки громкоговорителя не соответствует современным требованиям к техническим параметрам и качеству звучания.
Свойства громкоговорителей и отдельно их головок (без акустического оформления) принято оценивать многими параметрами и характеристиками, оговоренными в ГОСТах. В последние годы в проектировании высококачественных АС в основном применяют методы оптимального синтеза для расчета излучателей, разделительных фильтров, корпусов. Большое значение приобретает использование синтетических материалов для изготовления элементов громкоговорителей, уточнение субъективных порогов восприятия различных видов искажений. Дальнейший этап развития акустической техники состоит в переходе от обычных акустических систем, состоящих из громкоговорителей, корпуса, разделительных фильтров, к адаптивным системам звуковоспроизведения (это и АС, и помещения, и новые способы звукопередачи).
Для раскрытия всех этих вопросов в данном пособии были использованы материалы сайтов Интернет.
1. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
1.1. Общие сведения, классификация громкоговорителей
В качестве оконечного устройства современного радиовещательного тракта, трактов диспетчерской связи, установок озвучивания и звукоусиления, систем звуковой сигнализации гидроакустических станций и ультразвуковых дефектоскопов применяются громкоговорители. В телефонии, устройствах перевода и других видах телефонной связи, когда высокие уровни шума на месте приема ухудшают условия слушания, применяются головные телефоны (ГТ).
Громкоговоритель (Г) – устройство, предназначенное для эффектвного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде.
Принцип действия электродинамического преобразователя основан на взаимодействии проводника, по которому протекает ток, с магнитным полем. На проводник с током действует выталкивающая сила F = l[I × B], где l – длина проводника, I – вектор тока, по направлению совпадающий с проводником, B – вектор индукции магнитного поля. Для получения максимального эффекта угол между направлением тока и магнитного поля должен быть равен 90°, а для линейности преобразования магнитное поле должно быть постоянным на протяжении возможной траектории движения проводника. Величина силы F зависит также от длины проводника и индукции магнитного поля. Для увеличения длины проводник свернут в цилиндрическую катушку и помещен в радиальный зазор магнитной системы так, чтобы силовые линии магнитного поля были перпендикулярны направлению тока. Такая конструкция ЭДГ известна с 30-х гг. XX столетия и не претерпела существенных изменений до настоящего времени.
Головной телефон («трубка Белла») был историческим предшественником громкоговорителя. Простейший Г представлял собой электромагнитный телефон с несколько более мощной магнитной системой и рупором, приставленным к камере, заменяющей крышку микрофона. Несколько позже появились электромагнитные Г с диффузором. У такого Г вместо мембраны около полюсных наконечников помещался якорь в виде консольной балочки. Тонким стержнем к якорю присоединялась вершина легкого бумажного конуса – диффузора, служащего излучателем звука.
Для повышения чувствительности и уменьшения нелинейных искажений был предложен целый ряд модификаций полюсных наконечников («дифференциальная» и «двойная дифференциальная» схемы). Однако четность явления магнитного притяжения обусловливает довольно высокие нелинейные искажения. Именно поэтому в настоящее время электромагнитные Г почти полностью уступили место электродинамическим, электростатическим, электретным и пьезоэлектрическим Г.
Все имеющиеся типы Г можно классифицировать следующим образом:
• по способу электромеханического преобразования – на электродинамические, электростатические, электретные, пьезоэлектрические и т.д.;
• по особенностям излучения звуковых колебаний – Г прямого излучения, с излучающим рупором; одиночные Г, групповые Г;
• по классам качества и номинальной мощности, что определяет возможные области применения тех или иных Г;
• по полосе воспроизводимых частот – низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, широкополосные;
• по областям применения – телевизионные, автомобильные, студийные и т.д.
В свою очередь, электродинамические Г можно подразделить на катушечные, изодинамические, излучатели Хейла и т.п.
В изодинамическом Г катушка сделана плоской и размещена непосредственно на мембране. Вокруг мембраны размещена магнитная система. Действующая на мембрану магнитодвижущая сила равномерно распределена по ее поверхности, поэтому такой Г называют еще диностатическим. Разновидностью изодинамического Г являются ленточные Г. Вместо звуковой катушки используется проводящая мембрана, представляющая собой один или несколько параллельных проводников. Ленточные Г имеют очень низкое сопротивление, поэтому для их применения необходимо использовать согласующий трансформатор. Амплитуда перемещения мембраны без существенных искажений невелика, поэтому изодинамические Г пригодны только для воспроизведения ВЧ. Для увеличения отдачи их снабжают коротким рупором. Благодаря малой массе мембраны обеспечивается гладкая АЧХ давления в диапазоне от 3-5 до 25-30 кГц, когерентное излучение обеспечивает очень хорошую передачу импульсов. Достоинствами данных Г являются малые нелинейные искажения, гладкая амплитудно-частотная характеристика звукового давления на акустической оси и широкая диаграмма направленности. К недостаткам следует отнести «нежную» конструкцию и высокую стоимость.
Излучающая поверхность электростатического Г выполнена из полимерной пленки, металлизированной алюминием, никелем, серебром или углеродно-молибденовой суспензией. Она располагается между двумя акустически прозрачными сетчатыми электродами, к которым подведено напряжение сигнала и поляризующее напряжение. Плоская поверхность и малая масса обеспечивают гладкую амплитудно-частотную характеристику звукового давления на акустической оси от 100 Гц до 25-30 кГц, и даже до 35-40 кГц, но в этом случае отдача на высоких частотах ограничена. Для приемлемого воспроизведения низких частот площадь мембраны должна быть довольно велика. Симметричная конструкция обеспечивает подавление четных гармоник и когерентность излучения. Большим достоинством электростатического громкоговорителя является естественность звучания, к недостаткам надо отнести большие габаритные размеры и необходимость высокого (сотни вольт) поляризующего напряжения, а также высокую стоимость.
Пьезоэлектрические Г представляют собой пьезокерамическую пластину с нанесенными на нее электродами, приклеенную к тонкой металлической мембране или металлизированному куполу. Эти Г используются, как правило, для воспроизведения высоких частот (выше 10-12 кГц). Для воспроизведения средних и низких частот (50 Гц – 10 кГц) используются диффузорные пьезоизлучатели, напоминающие по конструкции малогабаритный электродинамический громкоговоритель, в котором вместо магнитной системы установлен пьезоэлемент. К достоинствам пьезоэлектрических громкоговорителей относятся высокий КПД, прекрасные импульсные характеристики. К недостаткам следует отнести наличие низкочастотного механического резонанса в области 2-4 кГц и высокочастотного механического резонанса подвижной системы в области 20 кГц, окрашивающих звучание. Входное электрическое сопротивление носит емкостной характер, в области воспроизводимых частот имеет большую (порядка десятков и даже сотен кОм) величину, поэтому для оптимального согласования необходимо использование повышающего трансформатора и схем стабилизации импеданса. С целью упрощения конструкции обычно используют непосредственное подключение пьезоэлемента, что не позволяет раскрыть все достоинства громкоговорителей этого типа [4].
В ионо-плазменных громкоговорителях (ИПГ) нет подвижных механических элементов – звук излучают молекулы ионизированного воздуха. Такие Г появились во второй половине 50-х гг. XX столетия. В настоящее время такие громкоговорители выпускают фирмы Audax (Франция), Plasmatronic (США), Magnat (ФРГ), Transpulsar (Франция). Другие названия (ИПГ) – ионофон, плазмофон. Сигнал от генератора высокой частоты модулируется звуковым сигналом, повышается резонансным трансформатором и возбуждает «звучащий» коронный разряд. Первоначально разряд происходил в трубке из кварцевого стекла, которая для повышения звукового давления снабжалась рупором.
Фирма Magnat создала конструкцию из акустически прозрачного сетчатого металлического шара и остроконечного электрода внутри него. Коронный разряд возбуждается напряжением частотой 27 МГц и амплитудой 2 кВ. Полоса воспроизводимых частот от 2 до 20 кГц, нелинейные искажения не превышают 0,5%. При работе наблюдается голубоватое свечение и характерный запах озона.
Отсутствие переходных процессов за счет безинерционности излучателя (коронного разряда) и широчайший диапазон частот, недостижимый другими методами – несомненное достоинство плазмофона. Недостатки – это необходимость в специальной высоковольтной схеме возбуждения со схемами защиты и высокочастотное излучение с ионизацией воздуха, влияние которых на человека изучено не полностью. Чувствительность определяется характеристиками схемы возбуждения.
Роторные головки. Первая НЧ головка выпущена в 1997 г. фирмой Phoenix Gold. Сама идея создания мощных излучателей звука подобного типа была высказана в 30-е гг. XX в., и фирма Intersonic выпускала устройства, излучающая система которых состояла из лопасти, совершающей колебательные движения, для привлечения слонов из джунглей. В современной модификации подвижная система представляет собой электродвигатель, вал которого может совершать поворот в пределах ±18º. На валу двигателя закреплены две лопасти из углепластика, вращение которых уравновешивается торсионом длиной 280 мм. Поворот лопастей преобразуется в поступательное движение воздуха при помощи двойного шнека из того же материала. Вся конструкция помещается в цилиндрический корпус из акрилового стекла диаметром 300 мм. Мощность громкоговорителя около 300Вт, полоса воспроизводимых частот при неравномерности 6 дБ 18-100 Гц, масса 5,5 кг. Достоинством этой конструкции является создание большого звукового давления при малых нелинейных искажениях, высокая надежность. К недостаткам относятся высокая стоимость, большой объем корпуса. В случае малого объема возрастают потери на перетекание воздуха на кромках лопастей и появление заметного на слух «шипения».
Тип Г указывается в его названии. Например, 70 ГДН – громкоговоритель электродинамический, низкочастотный, мощностью 70 Вт; 20 ГДИВ – громкоговоритель изодинамический высокочастотный с мощностью 20 Вт.
Как правило, диффузорные Г работают на электродинамическом принципе действия, и в настоящее время наиболее распространены как в профессиональной, так и в аппаратуре широкого потребления. Достаточно отметить, что из около 500 млн Г, выпускаемых ежегодно, примерно 85% приходится на электродинамические катушечные.
Г с диафрагмой большого размера могут быть и электродинамического, и электростатического типов. Г с излучающим рупором практически все электродинамические.
1.2. Технические характеристики громкоговорителей
Для количественной оценки качества электромеханического преобразования Г согласно ГОСТ 16122-87, ГОСТ 23262-83, IEC 268-5 и IEC 581-7 рассматривают нижеперечисленные технические показатели.
1. Номинальная мощность Рном – максимальная подводимая электрическая мощность, ограниченная тепловой и механической прочностью Г и возникновением нелинейных искажений, превышающих заданную величину. Г не должен выходить из строя при длительном воздействии этой мощности (непрерывная работа не менее 100 часов при шумовом сигнале).
2. Частотная характеристика Г по звуковому давлению – зависимость звукового давления, развиваемого Г по направлению его акустической оси в точке, отстоящей на определенном расстоянии (как правило, 1 м) от акустического центра, в условиях, эквивалентных безграничной среде, от частоты при постоянной амплитуде переменного напряжения на зажимах генератора.
3. Акустическая ось Г и положение акустического центра на ней определяются в общем случае техническими условиями на Г данного типа и указываются в техническом описании (паспорте Г). Если излучающее устройство Г имеет осевую симметрию, то ось симметрии и является акустической осью, а акустический центр определяется пересечением этой оси с плоскостью, в которой находится излучающая поверхность.
4. Условия, эквивалентные безграничной среде, требуют, чтобы на микрофон, посредством которого измеряется звуковое давление, воздействовало только поле прямого излучения Г, не искаженное наложением отраженных волн. Для удовлетворения этого условия измерения проводятся либо на открытом воздухе (причем акустическая ось направлена вертикально вверх, при отсутствии сильного ветра), либо в специальных звукомерных камерах, вся внутренняя поверхность которых с размещенными на ней звукопоглощающими конструкциями достаточно эффективно поглощает падающий звук в заданном исследуемом диапазоне частот.
Чем ниже лежит граница этого диапазона, тем большие размеры должна иметь камера (ее наименьший размер должен быть не менее нескольких длин волн низшей частоты измеряемого сигнала). Звукопоглощающие конструкции выполняют чаще всего в виде призм или клиньев, проволочный каркас которых обтягивается редкой тканью, а внутренний объем заполняется рыхлым звукопоглотителем (например, стекловатой, занимающей не менее 2/3 объема). Высота призм или клиньев, необходимая для эффективного поглощения, возрастает с понижением нижней частоты диапазона измерений (и составляет не менее 1/2 длины волны на этой частоте).
5. Неравномерность АЧХ звукового давления – это отношение максимального значения звукового давления к минимальному в заданном диапазоне частот. Ее обычно выражают в децибелах. В рекомендациях IEC 581-7, определяющих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, указано, что неравномерность АЧХ звукового давления не должна превышать ±4 дБ в полосе частот 100…8000 Гц. В лучших моделях акустических систем класса Hi-Fi достигнуто значение ±2 дБ.
6. Среднее звуковое давление рср – среднеквадратичное значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенном диапазоне частот в заданной точке поля, эквивалентного неограниченно простирающейся среде. Усредняют значения звукового давления, измеренного на частотах, распределенных равномерно с интервалом в 1/3 октавы.
7. Среднее стандартное звуковое давление рст – среднее звуковое давление рср, развиваемое в номинальном диапазоне частот на акустической оси на расстоянии 1 м от акустического центра при подведении к громкоговорителю напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности 0,1Вт. Иногда в паспорте приводится номинальное звуковое давление рном, отличающееся от среднего стандартного тем, что оно определяется при подведении номинальной мощности Рном.
8. Эффективно воспроизводимый диапазон частот – это диапазон частот, в пределах которого уровень звукового давления понижается на заданное значение по отношению к уровню, усредненному в некоторой полосе частот. В рекомендациях IEC 581-7 минимальные требования к этому параметру установлены в полосе 50…12500 Гц при спаде АЧХ, равном 8 дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100…8000 Гц. В ряде моделей акустических систем (АС) класса Hi-Fi диапазон частот достигает 20…40000 Гц, в среднем составляет 35…20000 Гц.
9. Характеристическая чувствительность γх – отношение среднего звукового давления рср, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на акустической оси на расстоянии 1м от акустического центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности Рэ:
Уровень характеристической чувствительности измеряется в дБ относительно порогового звукового давления p = 2 ·10-5 Па. Для бытового Г уровень характеристической чувствительности составляет 86 – 90 дБ/(√Вт · м), в отдельных высококачественных широкополосных моделях АС он может составлять 93…95 дБ/(√Вт · м).
При известной характеристической чувствительности можно определить стандартное звуковое давление:
рст = √0,1 · γх. (1.2)
10. Для расчетов излучателей (особенно в гидроакустике) пользуются понятием осевой чувствительности по напряжению, которую обычно называют просто чувствительностью. Это отношение звукового давления р1, развиваемого на акустической оси на расстоянии 1 м от акустического центра излучателя, к подводимому напряжению:
γос = р1 / U, γос = γос (f). (1.3)
11. Входное сопротивление громкоговорителя в общем случае зависит от частоты. Номинальное электрическое сопротивление (Nominal Impedance) равно минимальному значению модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя в диапазоне частот выше частоты основного резонанса механической колебательной системы Г.
12. Характеристика направленности (ХН) – зависимость звукового давления рθ, развиваемого громкоговорителем в свободном поле в точках, находящихся на одинаковых расстояниях от акустического центра, от угла между акустической осью и направлением на указанную точку.
Обычно эту характеристику нормируют по отношению к осевому значению звукового давления р(0º) = рос = р0 и обозначают R(θ):
R(θ) является функцией частоты, поэтому ее измеряют на ряде частот или для заданной полосы частот.
Характеристику направленности определяют для различных плоскостей, проходящих через акустическую ось. Для осесимметричных излучателей достаточно измерить одну ХН. В остальных случаях ограничиваются двумя ХН, измеренными для двух взаимно-перпендикулярных плоскостей. В рекомендациях IEC 581-7 ХН нормируется при измерениях АЧХ под углами ±(20…30)º в горизонтальной плоскости и ±(5…10)º в вертикальной плоскости. При этом отклонения от АЧХ, измеренной на оси в диапазоне частот 250…8000 Гц, не должны превышать ±4 дБ.
13. Направленные свойства излучателя характеризуются также коэффициентом осевой концентрации (КОК).
КОК называют отношение квадратов величин звукового давления, измеренных в условиях свободного поля на определенном расстоянии от акустического центра на акустической оси р2ос и усредненного по всем радиальным направлениям р2θср, исходящим из акустического центра:
Для ненаправленного громкоговорителя Ω = 1, для остальных – больше единицы.
Акустическая мощность – это поток энергии через всю сферическую поверхность, окружающую излучатель, следовательно, для ненаправленного излучателя
где Ir – интенсивность звука в точке на расстоянии r от акустического центра излучателя, рнн – звуковое давление в этой же точке; ρс – удельное акустическое сопротивление среды.
