Мере задействуют «фактор помещения». Эти разработки основываются на результатах многочисленных психоакустических исследований. Главными преимуществами звука ненаправленных (или обладающих «круговой направленностью») акустических систем считаются схожесть тембров прямого и отраженного звука в точке прослушивания, а

также повышенная «объемность» музыкального образа. Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 18.16), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат. При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты.

Разделительные фильтры

В акустических системах с электродинамическими головками для согласования их характеристик и диаграмм направленности используют разделительные фильтры. Кроме того, так как центры излучения этих громкоговорителей (примерно совпадающих с местом расположения звуковой катушки громкоговорителя) сдвинуты относительно друг друга (глубина СЧ- и особенно НЧ-громкоговорителя намного больше, чем у ВЧ- громкоговорителя), при расчете разделительных фильтров приходится учитывать необходимость коррекции возникающего при этом временного сдвига в излучаемой этими громкоговорителями звуковой волне с помощью фазокорректирующих цепочек. Уменьшение временной задержки в излучении различных громкоговорителей можно добиться и чисто конструктивными методами, смещая ВЧ- и СЧ-головку внутрь корпуса АС, например, используя наклонную переднюю панель акустической системы с "заваленной" назад верхней частью.

Что касается собственно самих разделительных фильтров, то их роль в современной АС существенно возросла. Это вызвано, с одной стороны, резким повышением требований слушателей к качеству звучания аудиоаппаратуры вообще и акустических систем в частности, а с другой стороны - возросшим качеством современных громкоговорителей. В этих условиях неоптимальное подключение громкоговорителей в акустической системе не позволит полностью реализовать потенциально высокое качество этих громкоговорителей. Поэтому разработчики современных фильтров для акустических систем учитывают при их проектировании не только требования обеспечить максимально плоскую АЧХ и линейную ФЧХ в полосе пропускания фильтра, но и учитывают при расчете элементов схемы фильтра изменение комплексного сопротивления громкоговорителя на разных частотах, требования обеспечения заданной диаграммы направленности акустической системы на этих частотах и т.д. Все это стало возможным благодаря широкому использованию при проектировании АС численных методов компьютерного моделирования и проектирования.

Фильтры Баттерворта имеют линейную АЧХ в полосе пропускания фильтра, резко обрывающуюся в полосе затухания фильтра. Однако переходная характеристика таких фильтров носит сильно выраженный колебательный характер. Фильтры Бесселя также имеют линейную АЧХ в полосе пропускания и сравнительно резкий спад в полосе затухания. Однако благодаря линейной зависимости фазового сдвига сигнала в зависимости от его частоты переходная характеристика АС с такими фильтрами хотя и имеет выброс на АЧХ, но не имеет колебательного характера. Фильтры Чебышева имеют чрезвычайно резкий спад АЧХ в полосе затухания, однако АЧХ фильтра в его полосе пропускания носит волнистый характер. Наиболее сложные схемы разделительных фильтров включают в себя также специальные корректирующие цепи, которые компенсируют изменение импеданса громкоговорителя на разных частотах. В результате такой стабилизации импеданса условия работы разделительного фильтра существенно улучшаются, так как он нагружен на постоянный и согласованный с ним импеданс нагрузки (громкоговоритель). Поэтому параметры АЧХ фильтра получаются близкими к расчетным. В случае же работы фильтра на рассогласованную нагрузку значения параметров его АЧХ и ФЧХ становятся непредсказуемыми. Нет нужды говорить, что это губительно сказывается на качестве звучания АС.

Иногда в схему фильтра включают также специальные режектирующие цепочки с целью блокирования в фильтре сигналов на частоте резонанса громкоговорителя,такие цепочки используют в фильтрах СЧ- и ВЧ-громкоговорителей.

Итак, как мы видим, в современных АС используются весьма сложные схемы фильтров, количество элементов в которых (особенно при встраивании в схему фильтра элементов защиты громкоговорителей) может достигать нескольких десятков. С другой стороны, многие высококачественные АС имеют простейшие фильтры 1-2-го порядка, состоящие всего из нескольких электронных компонентов.

Выбор и расчет параметров оптимального варианта акустического оформления

В процессе разработки акустической системы, мною поставлена задача получения высокого качества концертного звучания, позволяющего в полном объеме раскрыть эмоциональный потенциал музыкального материала в помещениях различного объемаа также на открытых площадках.

Результатом курсовой работы должен быть математический расчёт АС с блоком фильтров. АС будет иметь следующие особенности:

1.3 полноценных полосы (НЧ,СЧ, рупорная ВЧ)

2.Равномерную частотную характеристику (отклонение в области низких частот ±4 дБ в области низких частот)

3.Акустическое оформление будет представлять собой ящик с фазоинвертором аппроксимирующий аналитическое выражение фильтра Баттерворта 3-го порядка, для получения равномерной частотной характеристики в области НЧ

4.Выбор экспоненциального рупора для ВЧ излучателя, для повышения мощности излучателя в верхнем диапазоне частот.

5.В качестве излучателей я буду брать динамические головки различных производителей, которые будут иметь удовлетворительные параметры для решения поставленной задачи.

Программная среда SPEAKERSHOP

Приступим сразу и непосредственно к предмету рассмотрения - компьютерному программному обеспечению SPEAKERSHOP, подготовленному специалистами фирмы JBL для разработки и расчета параметров акустического оформления сабвуферов. Сразу оговорюсь, что программа хорошо сработает применительно и к домашней акустике, но это не наш случай, и что она позволяет производить вычисления не только для динамиков JBL, а собственно для самых разных изделий - были бы известны значения необходимых характеристик.

Это программное обеспечение помогает определить объем и размеры корпуса и оценить качество звучания. Конструкция анализируется в два этапа. Прежде всего определяется, как она будет работать при нормальных уровнях прослушивания. Эта процедура называется анализом на малых сигналах и включает в себя расчет амплитудной (частотной) характеристики, характеристики сопротивления звуковой катушки, фазовой характеристики и групповой задержки. Во вторую очередь для конструкции моделируется режим максимальной громкости. Этот этап называется анализом на больших сигналах и включает в себя нормы термальной акустической мощности в диапазоне средних частот и характеристику максимальной мощности при различных отклонениях.

Существуют два способа конструирования корпусов с помощью программы SPEAKERSHOP Enclosure Module. Один из них предусматривает конструирование корпуса для определенных выбранных динамиков. При этом варьируются характеристики корпуса. Другой способ заключается в поиске подходящих динамиков для существующего корпуса: вы подбираете модели динамиков. Метод конструирования может быть выбран с помощью команды Variable в меню Options.

Рисунок 18.17

Электронная таблица содержит колонки для конструирования шести корпусов.

Первые три предназначены для расчета корпусов с фазоинвертором - для оптимальной, пользовательской (т.е. проектируемой самим мастером) конструкций и для корпусов, рассчитанных на определенную полосу частот. Следующая колонка предназначена для пользовательской конструкции корпуса с пассивным излучателем. Последние две колонки предназначены для оптимальной и пользовательской

конструкции для корпусов закрытого типа.

Режим, когда изменяемой величиной является сам динамик, задается с помощью команды Variable-Loudspeaker в меню Options. Это на случай выбора подходящих динамиков для уже существующего корпуса. Режим очень удобен для расчетов звуковоспроизводящих систем автомобилей, когда необходимо подобрать динамик под строго заданный объем, так как позволяет быстро проверять работу нескольких различных акустических систем в конкретном корпусе или в определенном ограниченном пространстве.

В режиме Variable-Loudspeaker используется электронная таблица-меню другого вида. Вместо показа шести различных конструкций корпусов, как это делается в режиме Variable-Box, одновременно демонстрируются шесть различных динамиков. Таким образом дается возможность быстро сравнить до шести различных моделей. В данном пакете предоставляется возможным вводить минимальные параметры, включающие в себя название производителя (Manufacturer), название модели (Model), Fs, Vas и Qts. Номинальную эффективность или чувствительность необходимо вводить только при конструировании корпусов с фазоинвертором.

В базе хранятся значения всех необходимых характеристик большого количества динамиков самых разных фирм-изготовителей. "Сектор обстрела" очень широк, достаточно перечислить в качестве иллюстрации несколько фирм из начала списка: A&S Speakers, Acoustic Research, AcousticPro - и из его окончания: Xtasy Audio, Yamaha, Zachry. Конечно же, если вы не обнаружили искомую модель, то ее можно вместе с характеристиками внести в базу, наращивая содержащуюся в ней информацию. Более того, если у вас есть возможность измерить амплитудно-частотные характеристики динамика в специальном тестовом корпусе-экране или получить эти данные от производителя, то предусмотрен вариант поточечного внесения экспериментальных значений. Понятное дело, добавление экспериментальных данных повысит точность результата расчетов. Программа также позволяет проводить автоматический подбор моделей динамиков, удовлетворяющих наперед заданным условиям. Целью оптимизации конструкции корпуса с фазоинвертором является выбор объема, обеспечивающего наиболее ровную и плавную амплитудную характеристику в области частот настройки порта фазоинвертора. Преимуществами такой конструкции являются более широкая характеристика в диапазоне средних и низких частот, меньшие искажения за счет меньшей амплитуды диффузора, более высокая эффективность и меньшая общая стоимость. Конструкция корпуса с фазоинвертором относительно чувствительна к изменению параметров динамика. В таком корпусе лучше работают динамики с достаточно низким Qts (от 0,2 до 0,5). Конструкции корпусов с фазоинвертором допускают значительно большую частоту резонанса (Fs), а также применение звуковых катушек с укороченным шагом намотки (низкое значение Xmax) и более жесткого подвеса (небольшое значение Vas), чем конструкции закрытых корпусов. Уменьшение корпуса с фазоинвертором потребует более низкого Qts и меньшего значения Vas.

Система с большой бассовой отдачей и система с более "гладкой" басовой АЧХ; 2)Недостаточно задемпфированная система (объем короба мал) и передемпфированная система (объем короба велик)

Fs - Собственная резонансная частота динамика (Гц).

Qts - Добротность динамика для значения частоты Fs с учетом всех электромагнитных и механических потерь.

Vas - Объем воздуха, имеющий упругость, эквивалентную упругости подвеса динамика (кубические футы или дюймы, а также литры).

Получаемые "на выходе" графики

Вданной программе вы можете получить доступ к шести графикам различных характеристик. Это графики: нормализованной амплитудно-частотной характеристики

Рисунок 18.18

Расчет акустической системы. Описание конструкции.

Для расчёта акустического оформления потребовались параметры Тиле-Смолла низкочастотных динамиков. Характеристики динамиков выбираем из базы данных программы SPEAKERSHOР. Мною был выбрана динамическая головка JBL 1800GTiкоторая имеет следующие характеристики:

F s =30 Гц - резонансная частота

Q ms =5,54 - механическая добротность

V as = 362 литра - эквивалентный объём

Dia=42,5 см - эффективный диаметр диффузора

Q ts =0,43 - полная добротность

Q es =0,456 - акустическая добротность

Re=3 Ом - сопротивление постоянному току

Z=4 Ом - импеданс

Pe=600 Вт - предельная мощность

Отношение F s /Q ts получилось порядка 93, из чего я сделал вывод, что динамик больше тяготеет к фазоинверсному акустическому оформлению. Поясню: по отношению резонансной частоты к добротности можно довольно точно определить тип будущего акустического оформления. Если это отношение мене 50 то динамик однозначно создан

для закрытого корпуса, если более 100 – то для фазоинвертора.

Подставив данные в JBL Speaker Shop получил характеристики:

Рисунок 18.19 АЧХ динамика JBL 1800GTiв ящике с фазоинвертором.

При расчете программой внутренний объем короба составил 380 литров. Исходя из этого предложено следующие размеры сторон акустической системы.

Корпус громкоговорителя будет изготовлен из фанеры или древесно-стружечной плиты толщиной около 20 мм.. Места соединения боковых стенок с верхней и нижней стенками будет укреплено прямоугольными ребрами жесткости изготовленными из стали. Для устранения влияния отражения сигнала на средних частотах внутри корпуса будет размещен простеганный слой натуральной или минеральной ваты толщиной не менее 50 мм. Такое покрытие должно быть выполнено по всей внутренней поверхности корпуса. ВЧ и СЧ динамики установлены с внешней стороны передней панели.

Для акустической изоляции СЧ и ВЧ динамиков, будут изготовлены небольшие боксы из 10-и миллиметровой фанеры.

Также с помощью программы определили

частоту настройки ящика-фазоинвертора.

fb =26,8 Гц.

Выбрав соотношение сторон ящика равными 1:0.8:0.5,найдем его высоту ширину и глубину.1.4;0.6;0.5.При толщине передней панели и остальных стенок 20мм. Наружные размеры ящика будут равны 1.42 0.62 0.52м. Расчет фазоинвертора основан на определении акустической массы. которая вместе с гибкостью свободного объема ящика резонирует на частоте.

Риснок 18.20

Отношение длины трубы Lvк площади выходного отверстия Sv:
(18.2)

Подставляя в последнее уравнение численные значения свобод­ного объема и частоты настройки, получаем:
=11.17

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 сохранений 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. По воз­можности Sv приближают к верхнему пределу. Однако, чем больше площадь инвертора, тем большей должна быть его длина, чтобы отношение Sv/Lv 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 (18.3) для головки с D = 0,42 м площадь фазоинверсного отверстия составит: Sv =0.3∙3.14∙
=2.3∙10 -2
.

Из условия Lv/Sv =11.17
получим Lv=0,25 м. Чтобы опреде­лить истинную длину ивертора, из найденного значения следует вы­честь поправку на краевые эффекты:

(18.4)

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

L= 0.25 -
= 0.2 м.

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

Заключение

Данная работа посвящена одному из важнейших направлений прикладной акустики - разработке и расчету мощной акустической системы. Разработчиком этого проекта была поставлена задача добиться линейной частотной характеристики в области низких частот. Для этого было выбрано акустическое оформление в виде ящика с фазоинвертором аппроксимирующим аналитическое выражение фильтра Баттерворта 3-го порядка.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

Внутренний объем и геометрические размеры корпуса

Частота настройки ящика-фазоинвертора

Значение добротности для корпуса

Амплитудно-частотная характеристика акустической системы

Нижняя граничная частота по уровню -3дБ

Диаметр и площадь поперечного сечения воздуховода

Длина воздуховода в корпусе с фазоинвертором

Посвященном акустике помещения мы выяснили, что любая комната - своего рода резонатор, драматически влияющий на характер звучания системы. Теперь пришла пора поговорить непосредственно об источниках этого самого звучания, то есть об акустических системах.

Чтобы как следует разобраться в процессах, происходящих в ящике, на стенке которого смонтирован один или несколько динамиков, нужно вдумчиво прочитать пару-тройку книжек, в каждой из которых формул больше, чем во всем школьном курсе физики. Я забираться в такие дебри не буду, так что не стоит данный материал как исчерпывающий анализ или руководство по постройке аудиофильских колонок. Однако очень надеюсь, что он поможет начинающим меломанам (да и некоторым хроническим тоже) как следует сориентироваться в разнообразии акустических решений, каждое из которых его разработчики, разумеется, называют единственно правильным.

Некоторое время после изобретения в 1924 году электродинамического излучателя с коническим диффузором (окей, просто динамика), его деревянное обрамление исполняло в первую очередь декоративные и защитные функции. Оно и понятно - после долгих лет прослушивания пластинок через слюдяные мембраны и раструбы граммофонов, саунд нового устройства и безо всякой акустической доработки казался просто апофеозом благозвучия.

Мембраны граммофонов изготавливались чаще всего из алюминия или слюды

Однако технологии записи быстро совершенствовались и стало понятно, что более-менее правдоподобно воспроизвести слышимый диапазон динамиком, просто закрепленном на некой подставке, крайне проблематично. Дело в том, что предоставленная сама себе динамическая головка находится в состоянии акустического короткого замыкания. То есть волны от фронтальной и тыловой поверхностей диффузора, излучаемые, понятное дело, в противофазе, беспрепятственно накладываются друг на друга, что самым печальным образом отражается на эффективности работы, и в первую очередь на передаче басов.

Кстати, в процессе данного рассказа я буду чаще всего рассуждать именно о низких частотах, так как их воспроизведение - ключевой момент в работе любого корпуса АС. ВЧ-драйверы в силу малой длины излучаемых волн во взаимодействии с внутренним объемом колонки вообще не нуждаются, и чаще всего полностью от него изолированы.

Душа нараспашку

Самый простой способ отделить фронтальное излучения динамика от тылового - смонтировать его на щите как можно большего размера. Из этой простой идеи и родились, собственно, первые акустические системы, представлявшие собой ящик с открытой задней стенкой, поскольку для компактности края щита просто взяли, да и загнули под прямым углом. Однако в плане воспроизведения басов успехи подобных конструкций впечатляли не слишком. Помимо несовершенства корпуса проблема была еще и в очень небольшом по современным понятиям ходе подвески диффузоров. Чтобы хоть как-то выйти из положения, использовались динамики как можно большего размера, способные развивать приемлемое звуковое давление при небольшой амплитуде колебаний.

PureAudioProject Trio 15TB с 15-дюймовыми НЧ-драйверами на трехслойных бамбуковых панелях

Несмотря на кажущуюся примитивность подобных конструкций, у них имелись и кое-какие достоинства, причем настолько специфические и интересные, что адепты открытых АС не перевелись до сих пор.

Начать с того, что отсутствие каких-либо препятствий на пути звуковых волн – лучший путь к повышению чувствительности. Момент этот особенно ценен для аудиофильских ламповых усилителей, в особенности однотактных или лишенных обратной связи. Бумажные диффузоры большого диаметра даже на мощности порядка четырех-пяти ватт способны создать довольно-таки внушительный, и при этом на удивление открытый и свободный саунд.

При высоте 1,2 м в мире открытой акустики Jamo R907 считаются практически компактами

Что же касается тылового излучения, то чтобы не вносить искажений в прямой звук, оно должно приходить к слушателю с заметной задержкой (свыше 12-15 мс) - в таком случае его влияние ощущается как легкая реверберация, лишь добавляющая в саунд воздуха и расширяющая музыкальное пространство. Тонкость в том, что для создания этой самой «заметной задержки» колонки, разумеется, должны быть расположены на изрядном расстоянии от стен. К тому же большая площадь передней панели и внушительные размеры НЧ-драйверов соответствующим образом сказываются на общих габаритах АС. Одним словом, обладателей небольших и даже средних жилых комнат просьба не беспокоиться.

Кстати, частный случай открытых систем - акустика, построенная на электростатических излучателях. Только за счет почти невесомой диафрагмы большой площади, ко всем вышеописанным преимуществам, у электростатов добавляется способность филигранно передавать даже самые резкие динамические контрасты, а благодаря отсутствию разделения сигнала в зонах СЧ и ВЧ, еще и завидная тембральная точность.

Открытое оформление

Плюсы: Высококлассные открытые колонки - отличный способ получить реальный кайф от прослушивания пуристских ламповых однотактников.

Минусы: Про жирные компрессионные басы лучше забыть сразу. Весь звуковой тракт должен быть подчинен идее открытой акустики, а сами колонки придется выбирать из крайне ограниченного числа предложений.

Запертый в ящике

С ростом мощности и улучшением параметров усилителей сверхвысокая чувствительность акустики перестала быть главным камнем преткновения, а вот проблемы неравномерности АЧХ, и в особенности правильного воспроизведения басов, стали еще более актуальными.

Гигантский шаг к прогрессу в данном направлении сделал в 1954 году американский инженер Эдгар Вильчур. Он запатентовал акустическую систему закрытого типа, и это был отнюдь не трюк в стиле нынешних патентных троллей.

Патентная заявка Эдгара Вильчура на АС в закрытом оформлении

К тому моменту уже был изобретен фазоинвертор и, понятное дело, к ящику с дном динамик тоже примеряли неоднократно, только вот ничего хорошего из этого не получалось. Из-за упругости замкнутого объема воздуха приходилось или терять существенную часть энергии диффузора, или делать корпус непомерно большим, чтобы снизить градиент давления. Вильчур же решил обратить зло во благо. Он сильно понизил упругость подвеса, переложив таким образом контроль за движением диффузора на объем воздуха - пружину куда более линейную и стабильную, чем гофр или резиновое кольцо.

В закрытом ящике движения диффузора контролируются воздухом - в отличие от бумаги или резины он не стареет и не изнашивается

Так удалось не только полностью избавиться от акустического короткого замыкания и поднять отдачу на низких частотах, но и ощутимо сгладить АЧХ на всем ее протяжении. Однако обнаружился и минорный момент. Выяснилось, что демпфирование замкнутым объемом воздуха приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы и резкому ухудшению воспроизведения частот ниже данного порога. Для борьбы с такой неприятностью пришлось увеличивать массу диффузора, что логичным образом привело к снижению чувствительности. Плюс поглощение внутри «черного ящика» чуть ли не половины акустической энергии, не могло не внести вклада в снижение звукового давления. Одним словом, новому типу колонок потребовались усилители довольно серьезной мощности. К счастью, на тот момент они уже существовали.

Сабвуфер SVS SB13-Ultra с закрытым акустическим оформлением

Сегодня закрытое оформление применяется по большей части в сабвуферах, особенно в тех, что претендуют на серьезное музыкальное исполнительство. Дело в том, что для домашних кинотеатров энергичная отработка самых низких басов часто оказывается важнее динамической и фазовой точности на всем протяжении НЧ-диапазона. А вот объединив относительно компактный закрытый саб с приличными сателлитами, можно добиться куда более правильного звука - пускай и не наполненного сверхглубокими басами, зато крайне быстрого, собранного и четкого. Всё вышесказанное можно отнести и на счет полнодиапазонных колонок, «закрытые» модели которых изредка появляются на рынке.

Закрытый ящик

Плюсы: Образцовая скорость атаки и разрешение в низкочастотном диапазоне. Относительная компактность конструкции.

Минусы: Требуется достаточно мощный усилитель. Сверхглубоких басов на грани инфразвука добиться весьма затруднительно.

Дело - труба

Еще одним способом обуздания противофазного тылового излучения стал фазоинвертор, по-русски буквально «разворачиватель фазы». Чаще всего он представляет собой полую трубку, смонтированную на передней или задней поверхности корпуса. Принцип работы понятен из названия и незамысловат: раз избавляться от излучения обратной стороны диффузора трудно и нерационально, значит нужно синхронизировать его по фазе с фронтальными волнами и использовать на благо слушателей.

Амплитуда и фаза движения воздуха в фазоинверторе меняются в зависимости от частоты колебаний диффузора

По сути труба с воздухом является самостоятельной колебательной системой, получающей импульс от движения воздуха внутри корпуса. Обладая совершенно определенной частотой резонанса, фазоинвертор работает тем эффективнее, чем ближе колебания диффузора к частоте его настройки. Звуковые волны более высоких частот сдвинуть с места воздух в трубе просто не успевают, а более низкие хотя и успевают, но чем они ниже, тем сильнее смещается фаза излучения фазоинвертора, и, соответственно, его эффективность. Когда поворот фазы достигает 180 градусов, тоннель начинает откровенно и весьма эффективно глушить звук басового драйвера. Именно этим объясняется очень крутое падение звукового давления АС ниже частоты настройки фазоинвертора - 24 дБ/окт.

В борьбе с турбулентными призвуками конструкторы фазоинверторов постоянно экспериментируют

У закрытого ящика, между прочим, на частотах ниже резонансной спад АЧХ куда более плавный - 12 дБ/окт. Однако в отличие от глухой коробки, коробка с трубой в боковой стенке не заставляет конструкторов идти на любые хитрости ради максимального снижения резонансной частоты самого динамика, что довольно хлопотно и дорого. Тоннель фазоинвертора настроить куда проще - достаточно подобрать ее внутренний объем. Это, правда, в теории. На практике, как всегда, начинаются непредвиденные сложности, например, на больших уровнях громкости воздух на выходе из отверстия может шуметь почти как ветер в печном дымоходе. К тому же инертность системы частенько становится причиной падения скорости атаки и ухудшения артикуляции на басах. Одним словом, простор для экспериментов и оптимизации перед конструкторами фазоинверторных систем открывается просто невероятный.

Фазоинвертор

Плюсы: Энергичная отдача на НЧ, возможность воспроизведения самых глубоких басов, относительная простота и дешевизна изготовления (при изрядной сложности расчета).

Минусы: В большинстве реализаций проигрывает закрытому ящику в скорости атаки и четкости артикуляции.

Обойдемся без катушки

Попытки избавиться от генетических проблем фазоинвертора, а заодно и сэкономить на объеме корпуса без ущерба для глубины баса, натолкнули разработчиков на идею заменить полую трубу на мембрану, приводимую в движение колебаниями все того же рабочего объема воздуха. Проще говоря, в закрытом ящике установили еще один низкочастотный драйвер, только без магнита и звуковой катушки.

Пассивный излучатель может увеличить эффективную поверхность диффузора вдвое, или даже в трое, если в одной колонке они установлены парой

Конструкция получила название «пассивный излучатель» (Passive radiator), которое сплошь и рядом не слишком грамотно переводят с английского как «пассивный радиатор». В отличие от трубы сабвуфера, пассивный диффузор занимает куда меньше пространства в корпусе, не так критичен к расположению, и к тому же он, как и воздух внутри закрытого ящика, демпфирует ведущий драйвер, сглаживая его АЧХ.

Пассивный излучатель сабвуфера REL S/5. Основной драйвер направлен в пол

Еще один плюс - с увеличением площади излучающей поверхности для достижения нужного звукового давления требуется меньшая амплитуда колебаний, а значит, снижаются последствия нелинейной работы подвеса. Колеблются оба диффузора синфазно, а резонансная частота свободной мембраны настраивается точной регулировкой массы - к ней попросту подклеивают грузик.

Пассивный излучатель

Плюсы: Компактность корпуса при впечатляющей глубине басов. Отсутствие фазоинверторных призвуков.

Минусы: Увеличение массы излучающих элементов приводит к росту переходных искажений и замедлению импульсного отклика.

Выход из лабиринта

Акустика, вооруженная фазоинверторами и пассивными излучателями, воспроизводит глубокие басы благодаря резонаторам, работающим при посредничестве воздуха внутри АС. Однако кто сказал, что объем колонки не может играть роль низкочастотного излучателя сам по себе? Конечно может, и соответствующая конструкция называется акустический лабиринт. По сути, она представляет собой волновод, протяженностью в половину или четверть длины волны, на которой планируется добиться резонанса системы. Иными словами конструкция настраивается по нижней границе частотного диапазона АС. Конечно использовать волновод полной длины волны было бы еще эффективнее, но тогда для частоты, скажем, 30 Гц, его пришлось бы делать 11-метровым.

Акустический лабиринт - любимая конструкция акустиков-самодельщиков. Но при желании корпуса самой хитрой формы можно заказать и в готовом виде

Чтобы в колонке разумных размеров уместить даже вдвое более компактную конструкцию, в корпусе устанавливают перегородки, формирующие максимально компактный изогнутый волновод, поперечным сечением примерно равным площади диффузора.

От фазоинвертора лабиринт отличается в первую очередь менее «резонансным» (то есть не акцентированным на определенной частоте) звучанием. Относительно низкая скорость и ламинарность движения воздуха в широком волноводе препятствует возникновению турбулентности, порождающей, как мы помним, нежелательные призвуки. Кроме того, в данном случае драйвер свободен от компрессии, повышающей резонансную частоту, ведь его тыловое излучение не встречает практически никаких препятствий.

Схема для расчета корпуса на dbdynamixaudio.com

Бытует мнение, что акустические лабиринты создают меньше проблем со стоячими волнами в комнате. Однако при малейших просчетах в разработке или изготовлении, стоячие волны могут возникнуть в самом волноводе, который, в отличие от фазоинвертора, имеет куда более сложную структуру резонансов.

Вообще надо сказать, что грамотный расчет и точная настройка акустического лабиринта - процессы весьма непростые и трудоемкие. Именно по этой причине данный тип корпуса встречается нечасто, и только в АС очень серьезного ценового уровня.

Акустический лабиринт

Плюсы: Не только хорошая отдача, но и высокая тональная точность басов.

Минусы: Нешуточные размеры, очень высокая сложность (читай - стоимость) создания правильно работающей конструкции.

Эй, на пароме!

Рупор - самый древний и, пожалуй, самый провокационный тип акустического оформления. Выглядит круто, если не сказать эпатажно, звучит ярко, а временами… В старых фильмах герои иногда кричат друг другу что-то в рупор, и характерная окраска такого звука давно стала мемом и в музыкальном, и в киношном мире.

Avantgarde Acoustics Trio с низкочастотным рупорным массивом Basshorn XD высотой 2,25 м

Конечно от жестяной воронки с ручкой теперешняя акустика ушла очень далеко, но принцип работы все тот же - рупор повышает сопротивление воздушной среды для лучшего согласования с относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы динамика. Таким образом, повышается его КПД, а заодно и формируется четкая направленность излучения. В отличие от всех описанных ранее конструкций, рупор чаще всего используется в высокочастотных звеньях АС. Причина проста - его сечение увеличивается по экспоненте, и чем ниже воспроизводимая частота, тем большим должен быть размер выходного отверстия - уже на 60 Гц потребуется раструб диаметром 1,8 м. Понятно, что такие монструозные конструкции больше подходят для стадионных концертов, где их действительно периодически можно встретить.

Главный козырь адептов рупорного воспроизведения заключается в том, что акустическое усиление позволяет при заданной звуковой отдаче уменьшить ход мембраны, а значит, поднять чувствительность и улучшить музыкальное разрешение. Да-да, снова кивок обладателям ламповых однотактников. К тому же при грамотном расчете раструбы могут играть роль акустических фильтров, круто отсекая звук за пределами своей полосы и позволяя ограничиться самыми простыми, а потому вносящими минимальные искажения электрическими кросоверами, а иногда и вообще обойтись без них.

Системы Realhorns - особая акустика для особых случаев

Скептики же не устают напоминать о характерной рупорной окраске, особенно заметной на вокале, и придающей ему характерную гнусавость. Побороть данную неприятность действительно нелегко, хотя судя по тому, как играют лучшие образцы High-End-рупоров, вполне реально.

Рупор

Плюсы: Высокий акустический КПД, а значит, отличная чувствительность и неплохое музыкальное разрешение системы.

Минусы: Характерная трудноустранимая окраска звука, недетские размеры средне- и тем более низкочастотных конструкций.

Круги на воде

Именно такой аналогией проще всего описать характер излучения контрапертурных акустических систем, впервые разработанных в Советском Союзе в 80-х годах прошлого века. Принцип работы нетривиален: пара одинаковых динамиков смонтирована так, что их диффузоры расположены друг напротив друга в горизонтальной плоскости и двигаются симметрично, то сжимая, то разжимая воздушную прослойку. В результате создаются кольцевые воздушные волны, равномерно расходящиеся во все стороны. Причем характеристики этих волн в процессе их распространения искажаются минимально, а их энергия затухает медленно - пропорционально расстоянию, а не его квадрату, как в случае обычных АС.

Duevel Sirius сочетает элементы рупорной и контрапертурной конструкций

Помимо дальнобойности и круговой направленности, контрапертурные системы интересны на удивление широкой вертикальной дисперсией (порядка 30 градусов против стандартных 4-8 гр.), а также отсутствием доплеровского эффекта. Для динамиков он проявляется в биениях сигнала, вызванных постоянным изменением расстояния от источника звука до слушателя из-за колебаний диффузора. Правда, реальная слышимость данных искажений до сих пор вызывает много споров.

Взаимное проникновение концентрических звуковых полей правой и левой колонок создают весьма обширную и равномерную зону объемного восприятия, то есть по сути вопрос точного позиционирования АС относительно слушателя становится не актуален.

Итальяно-российская контрапертурная акустика Bolzano Villetri

Характерная особенность контрапертуры в том, что звук, приходящий к слушателю фактически со всех сторон, хотя и создает впечатляющий эффект присутствия, не может в полной мере передать информацию о звуковой сцене. Отсюда рассказы слушателей об ощущении летающего по комнате рояля и прочих чудесах виртуальных пространств.

Контрапертура

Плюсы: Широкая зона эффектного объемного восприятия, натуралистичность тембров благодаря нетривиальному использованию волновых акустических эффектов.

Минусы: Акустическое пространство заметно отличается от звуковой сцены, задуманной при записи фонограммы.

И другие...

Если вы думаете, что на этом список вариантов оформления колонок исчерпывается, значит вы сильно недооцениваете конструкторский энтузиазм электроакустиков. Я описал только наиболее ходовые решения, оставив за кадром близкую родственницу лабиринта - трансмиссионную линию, полосовой резонатор, корпус с панелью акустического сопротивления, нагрузочные трубы...

Nautilus от Bowers & Wilkins - одна из самых необычных, дорогих и авторитетных в плане звучания акустических систем. Тип оформления - нагрузочные трубы

Подобная экзотика встречается довольно редко, но иногда она материализуется в конструкции с действительно уникальным звучанием. А иногда и нет. Главное не забывать, что шедевры, как и посредственности, встречаются во всех оформлениях, что бы ни говорили идеологи того или иного бренда.

Подготовлено по материалам журнала "Stereo & Video", июнь 2016 г.

Обычно в радиолюбительской и профессиональной литературе акустические системы рассматриваются в плане получения максимально широкой полосы воспроизводимых частот и минимальных искажений, то есть с точки зрения улучшения звучания. Нам эти аспекты также важны, но нужна еще максимальная отдача акустической системы, то есть максимальный КПД преобразования электрической мощности в акустическую.

Динамическая головка без акустического оформления имеет очень низкую отдачу и совсем плохо воспроизводит нижние частоты звукового спектра. Объясняется это просто: при поступательном движении диффузора воздух просто перегоняется с передней стороны диффузора на заднюю и обратно, происходит так называемое акустическое короткое замыкание, и лишь малая доля энергии превращается в звуковую волну.

Простейший способ устранить акустическое короткое замыкание - установить головку на плоский экран или «отражательную доску» достаточно больших размеров. Каких? Его размер должен достигать хотя бы четверти длины волны на низшей звуковой частоте. Зная скорость звука в воздухе (v = 330 м/с) длину волны легко сосчитать: λ = v / f. Даже для низшей частоты 100 Гц размер акустического экрана составит около метра. Теперь становится понятным, почему маленькие транзисторные приемники не могут воспроизводить нижних звуковых частот!

Идеальный акустический экран - перегородка между двумя комнатами или между комнатой и верандой. Если туда врезать динамическую головку, то будут озвучиваться оба помещения, причем с хорошим качеством. Правда, акустическая мощность поделится между помещениями пополам и звук будет тише. Чаще надо озвучивать лишь одну комнату, тогда экран целесообразно установить под потолком, как показано на рис. 3.1. Там он никому не будет мешать и вокруг головки можно создать значительный объем, что улучшит воспроизведение нижних частот, к тому же потолок и стены образуют своеобразный рупор.

Экран можно изготовить из фанеры, ДСП и даже оргалита. К потолку и стенам он должен прилегать плотно, без щелей (можно уплотнить стыки поролоном или ватой), это позволит существенно уменьшить все размеры, кроме одного - от головки до отверстия. Оно образует фазоинвертор - систему, позволяющую улучшить отдачу на нижних частотах, используя излучение и обратной стороны диффузора. Пройдя путь l, звуковая волна изменит фазу, и при условии l = λ /2 фаза изменится на обратную (инвертируется) и сложится с волной, излучаемой передней стороной диффузора. Площадь отверстия желательно выбрать не меньше, чем площадь диффузора головки.

Если края плоского прямоугольного экрана отогнуть назад, получится всем хорошо знакомый корпус радиоприемника, телевизора и т.д. Это АС с открытой задней стенкой. Она также звучит лучше в углу комнаты, причем расстояние от стен целесообразно подобрать по наилучшей громкости и качеству звука. Открытую АС очень легко сделать из корпуса старого телевизора - изготовить надо только отражательную доску из ДСП, установить на нее от 2 до 8 головок, обтянуть редкой материей и установить на место передней панели. И смотрится и звучит такое изделие очень неплохо (рис. 3.2а). Головки на отражательной доске лучше размещать асимметрично, тогда пики и провалы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) несколько выравниваются.

Устанавливать в АС несколько головок, даже разных, имеет смысл по нескольким соображениям: звуковые давления отдельных головок складываются, поэтому отдача АС возрастает, но пики и провалы на АЧХ отдельных головок не совпадают, как не совпадают и механические резонансные частоты, и общая частотная характеристика выравнивается. Схему включения головок надо подобрать так, чтобы выделяющаяся на них мощность была пропорциональна паспортной. Полярность включения головок также очень важна: при подаче на АС постоянного напряжения (например, от гальванического элемента) все диффузоры должны двигаться в одну сторону, что соответствует синфазному включению. Хотя бы одна головка, работающая в противофазе, резко понижает отдачу.

В качестве примера на рис. 3.2б показана схема включения семи динамиков: двух 4ГД-35 (4 Вт, 4 Ом), трех 1ГД-40 (1 Вт, 8 Ом) и двух высокочастотных («пищалок») 2ГД-36 (2 Вт, 8 Ом). Для расчета мощности, выделяющейся на каждой головке, приложите мысленно к зажимам АС какое-нибудь удобное для расчетов напряжение, например 8 В. Тогда ток в цепи мощных головок будет 1 А, в цепи трех одноваттных 1/3 А и в цепи высокочастотных (только на высоких частотах) - 1/2 А. Мощность, выделяющаяся на каждой головке (Р = I 2 R) составит 4 Вт для мощных, 0,9 Вт для одноваттных и 2 Вт для высокочастотных, что вполне приемлемо. Емкость конденсатора фильтра, пропускающего к «пищалкам» только высокие звуковые частоты, находим по формуле С = 0,16 / f . R, где f - частота среза, R - общее сопротивление ВЧ-головок. Задавшись параметрами 6,5 кГц и 16 Ом, получаем С = 1,5 мкФ. Общее сопротивление АС получается равным 6 Ом, несколько уменьшаясь на высоких частотах.

Если есть возможность изготавливать АС разной конструкции, то несколько динамиков лучше размещать вертикально, друг над другом, чтобы концентрировать излучение в горизонтальной плоскости, на уровне голов слушателей (рис. 3.3а). ВЧ динамики лучше размещать именно на этой высоте, в середине, а мощные низкочастотные - по краям колонны, поскольку направленность излучения на нижних частотах меньше. Установка колонны в угол комнаты повышает отдачу (рупорный эффект) и позволяет изготавливать лишь одну отражательную доску. В углах у потолка и пола можно попробовать установить треугольные листы фанеры или пластика - «акустические зеркала», отражающие излучение обратной стороны АС к слушателям (рис. 3.3б).

Большим недостатком современных динамических громкоговорителей является острая характеристика направленности в области высоких частот, что создает определенные неудобства при прослушивании монофонических программ и сужает зону стереоэффекта при использовании обычных акустических систем в стереофонии.

В различной отечественной и зарубежной литературе неоднократно приводился рисунок (рис. 1), иллюстрирующий влияние расположения громкоговорителей на зону стереоэффекта.

Рис. 1. Зона заметного стереоэффекта: а - при размещении одиночных громкоговорителей в углах помещения, б - при размещении системы из трех громкоговорителей в каждом канале вдоль узкой стороны комнаты.

Для расширения зоны стереоэффекта многие любители стереофонического звуковоспроизведения применяют один - два громкоговорителя закрытого типа в каждом канале, располагая их в углах комнаты, как показанной на рис. 2.

Рис. 2. Размещение громкоговорителей по углам комнаты.

Выпускаемые рядом иностранных фирм высокочастотные акустические агрегаты выполнены в форме куба, на внутренней стороне каждой грани которого размещен громкоговоритель (всего 6 штук).

Применение всенаправленных излучателей не только расширяет зону стереоэффекта, но и позволяет значительно снизить необходимую площадь помещения с 18-20 до 12-15 кв.м. В материалах рекламной иностранной печати имеются сообщения, что использование всенаправленных излучателей позволяет получить удовлетворительный стереоэффект даже в салоне легкового автомобиля.

В конструкции применены отечественные громкоговорители 1ГД-3 РР3 со следующими основными параметрами: среденее стандартное звуковое давление 0,3 н/м2, собственная частота механического резонанса 4,5±1 кГц, модуль полного электрического сопротивления на чатсоте 630 Гц — 12,5 Ом, номинальная мощность 1 Вт, рабочий диапазон частот 5-18 кГц.

Общий вид акустики показан на рис. 3. Сферический фронт звуковой волны от громкоговорителя 1 (на рисунке дан разрез диффузора громкоговорителя) попадает на рассеивающую линзу 2. Отраженные от линзы звуковые колебания имеют круговую характеристику направленности в горизонтальной плоскости. Образующая линза рассчитана таким образом, что и в вертикальной плоскости появляется характеристика направленности громкоговорителя. Для увеличения звукового давления и расширения характеристики направленности в агрегате используются два громкоговорителя.

Рис. 3. Общий вид акустического агрегата: 1 — громкоговоритель, 2 — исскуственная линза, 3 — корпус, 4 — дюралиевая линза, 5 — кольцо, 6 — капроновая стека, 7 — стойки, 8 — основание, 9 — муфты.

При сборке агрегата громкоговоритель с капроновой сеткой, защищающий его от пыли, приклеивают его к пластине 4 и запрессованному в нем кольцу 5. Затем весь узел с помощью стоек 7 крепят к корпусу 3. Стойки 7 держат также основание 8 с приклеенными к нему линзами 2.

Эскизы деталей агрегата показана на рис. 4. Корпус 3 и основание фанерованы, можно использовать пластик с рисунком, иммитируюший ценные породы дерева. Остальные детали изготовлены из дюралюминия Д16. Наружные поверхности этих деталей отполированы.

Рис. 4. Эскизы деталей агрегата.

Электрическое включение громкоговорителей агрегата определяется параметрами усилителя и низкочастотных громкоговорителей. Для однополосных усилителей с номинальной выходной мощностью 5-10 Вт можно рекомендовать вариант включения агрегата, поаказанный на рис. 5, а.

Рис. 5. Электрические схемы включения громкоговорителей акустического агрегата.

Для стереофонических усилителей с одним низкочастотным громкоговорителем схема упрощается. На рис. 5, б, например, показана схема подключения агрегата к звуковой колонке магнитофона «Яуза-10».Дроссели намотаны на пластмассовых каркасах диаметром 25 мм. Ширина намотки 30 мм. Дроссель Др1 (рис. 5,а) содержат 150, а Др1 (рис. 5,б) - 100 витокв провода ПЭВ-2 1,04.

И в заключение хочется предупредить радиолюбителей, что использование описанного акустического агрегата целесообразно только в том случае, если полоса рабочих частот усилителя превышает 8-10 кГц. При меньшей полосе пропускания его применение становится неоправданным и малоэффективным.

Радио стр. 39-40, № 4, 1973 г.

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

окт 2008

Корпуса акустических систем. Конструкции.

В предыдущих статьях были рассмотрены конструкции различных видов излучателей, которые являются основными элементами всех видов акустических систем. Однако неотъемлемой частью любой акустической системы является также корпус.

Корпус (рис. 1) выполняет многообразные функции. В области низких частот он блокирует эффект "короткого замыкания", возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхностей диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения. Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах.

Кроме того, он увеличивает механическое демпфирование громкоговорителей, что позволяет "сгладить" резонансы и уменьшить неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот за счет дифракционных эффектов и за счет колебаний стенок корпуса, что, естественно, вносит существенный вклад в увеличение линейных и нелинейных искажений и в качество звучания акустических систем. Именно поэтому вопросам проектирования корпусов акустических систем (выбору конфигурации, материала стенок, вибродемпфирующих и виброизоляционных покрытий и т. д.) все фирмы-производители уделяют большое внимание.

Наиболее распространенными типами низкочастотного оформления в конструкциях современных корпусов акустических систем являются: бесконечный экран (infinitive baffle), закрытый корпус (closed box, acoustical suspensions, sealed box), корпус с фазоинвертором (vented-box, ported-box, bass-reflection и др.), лабиринт (labyrinth), трансмиссионная линия (transmission-line), корпус с симметричной нагрузкой (bandpass enclosure), с пассивным радиатором (passive radiator, drone cone) и др.

Остановимся на конструкции наиболее известных из них.

Бесконечный экран
Этот тип оформления должен удовлетворять двум условиям: представлять бесконечно большую поверхность, в которой установлен громкоговоритель, и иметь большой объем воздуха позади нее. Максимальным приближением к такому оформлению является установка громкоговорителя в стене комнаты с достаточно большим объемом за ним. Только при выполнении обоих условий обеспечивается полное предотвращение эффекта короткого замыкания и эффекта демпфирования колебаний со стороны воздушного объема.

Частотная характеристика громкоговорителя в таком "истинно бесконечном экране" зависит от значения его резонансной частоты и спадает со скоростью 12 дБ/окт. Следует, правда, отметить, что отсутствие демпфирования при установке громкоговорителя в такой вид оформления приводит к эффекту "бубнения" на низких частотах (особенно слышимому у громкоговорителей больших размеров).

Использование плоских экранов конечных размеров или "свернутых" экранов (то есть экранов с согнутыми краями - открытых корпусов) в качестве низкочастотных оформлений было довольно широко распространено в начальный период развития производства выносных акустических систем в 30-50 годы. Однако это приводило к созданию акустических систем с очень большим объемом корпуса (600-800 куб. м), поскольку минимальный размер, при котором не будет короткого замыкания, определяется соотношением: 2L = l/2, где L - расстояние от центра до края экрана, l - длина волны. Например, для частоты 100 Гц, где длина волны l = 3,4 м, величина L составляет 0,85 м.

Если экран свернуть, то есть перейти к открытому оформлению, то его размер можно уменьшить только процентов на тридцать. В противном случае получаются слишком длинные боковые стенки (типа трубы), в которых возникают резонансные явления, и явление дифракции на открытых краях, окрашивающее звук. Поэтому в выносных акустических системах такие типы оформлений практически не используются, хотя встроенные в стены АС применяются достаточно часто, особенно в аппаратных студий звукозаписи (они называются "in-wall", "in-ceiling infinitive baffle", "wall-mount panel" и т. д.).

Термин "infinitive baffle" употребляется иногда также для оформлений типа "закрытый ящик" достаточно больших размеров, в которых не происходит сдвига резонансной частоты громкоговорителя по сравнению с излучением в свободное пространство (при этом отношение гибкости подвеса к гибкости воздуха должно быть меньше, чем 3).

Закрытый корпус
В период значительного увеличения объемов массового производства выносных акустических систем, то есть примерно в пятидесятые годы, начали активно применяться закрытые корпуса "компрессионного" типа, что позволило значительно уменьшить размеры АС, сделать их удобными для применения в жилых комнатах и при этом сохранить воспроизведение низкочастотной части диапазона (рис. 2).

Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в нем используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, то есть низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором. Именно она начинает вносить основной вклад в восстанавливающую силу, приложенную к диафрагме (при этом отношение гибкости подвеса к гибкости воздуха должно быть не меньше, чем 3...4). Поскольку воздух - среда линейная (при относительно малых уровнях звукового давления), то это позволяет, кроме возможности уменьшить объем корпуса, уменьшить также нелинейные искажения.

Низкочастотные громкоговорители для таких систем должны проектироваться особым образом (иметь большую гибкость подвеса, большую массу диафрагмы, особую конструкцию звуковой катушки и магнитной цепи для обеспечения больших смещений и т. д.). Теория проектирования закрытых корпусов была изложена в работах Small-Thiele, в настоящее время их проектирование производится с помощью компьютерных программ.

При правильно подобранных электромеханических параметрах громкоговорителей и корпуса в акустических системах такого типа можно получить максимально гладкую форму АЧХ (рис. 3) на низких частотах, обеспечить чистое, сухое звучание басов. Именно поэтому многие ведущие фирмы (например, KEF, Tannoy и др.) при создании акустических систем категории Hi-Fi и контрольных агрегатов применяют корпуса закрытого типа.

Корпус с фазоинвертором
Это корпус, в котором сделано отверстие, что позволяет использовать излучение тыльной поверхности диффузора (рис. 4). Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и гибкостью воздуха в корпусе.

Наличие небольшого отверстия не нарушает компрессионного принципа работы громкоговорителя в корпусе, но дает возможность значительно увеличить уровень звукового давления на частоте резонанса (сравнительная форма АЧХ в области низких частот показана на рис. 3), уменьшить уровень нелинейных искажений, значительно расширить возможности настройки параметров акустической системы. Следует отметить, что наличие фазоинвертора требует значительно большего искусства при проектировании, так как неточная настройка приводит к появлению переходных искажений ("затянутых басов").

В современных моделях используются несколько разновидностей фазоинверсных систем.

1. Корпус со специальной трубой , нагруженной на отверстие (ducted port enclosures) - это позволяет уменьшить размеры корпуса и с помощью изменения размеров трубы улучшить настройку фазоинвертора (рис. 4а).

2. Корпус с пассивным излучателем (passive radiator, рис. 5); в отверстие корпуса устанавливается пассивный (то есть без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус. Регулируя массу и гибкость такого громкоговорителя, можно получать такой же эффект, как и при настройке фазоинвертора.

3. Лабиринт (labyrinth, рис. 6) представляет собой вариант низкочастотного корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки, создающие своего рода лабиринт для потока воздуха. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громкоговорителя, он действует аналогично соответствующим образом настроенному фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Лабиринт обычно имеет серию резонансных пиков на гармониках, соответствующих основной резонансной частоте трубы. Они демпфируются размещением специальных звукопоглощающих материалов на стенках корпуса.

4. Трансмиссионная линия (transmission line) является вариантом лабиринта. В современных конструкциях акустических систем используются ее многочисленные разновидности: четвертьволновая (quarter wave), первого порядка (first order), с переменным сечением (tapered), трапецеидальная (trapezoidal) и т. д.

Трансмиссионная линия отличается от лабиринта тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса, и поперечное сечение линии делается переменным - больше у конуса, меньше у отверстия. Звукопоглощающий материал подбирается таким образом, чтобы обеспечить демпфирование высокочастотных резонансов. Корпуса такого типа очень сложны для настройки, поэтому существуют их упрощенные варианты (типа "tapered pipe"), в которых используется просто труба переменного сечения с обратным соотношением площадей: больше у диффузора, меньше у отверстия с заполнением объемным поглотителем.

5. Фазоинверсное оформление с двойной камерой (double-chamber, рис. 7) или с несколькими камерами (multichamber port). Применение двойных или нескольких камер позволяет обеспечить согласование нагрузки с низкочастотным громкоговорителем в значительно более широком диапазоне частот. На амплитудно-частотной характеристике такой системы отчетливо видны два резонансных пика: один соответствует настройке низкочастотного громкоговорителя на полный объем двух камер, другой - на одну камеру; если эти камеры равных объемов, то эти частоты разделены ровно на октаву.

Обычно двойная камера имеет одно отделение в два раза больше другого. Оформления с двойными камерами обеспечивают большее демпфирование колебаний громкоговорителей, что дает значительные преимущества при использовании их в мощных акустических системах, например, для дискотек, музыкальных ансамблей и др., так как снижает вероятность перегрузки и выхода из строя низкочастотных громкоговорителей.

6. Оформления типа полосовых фильтров (bandpass systems, рис. 8) - это также разновидность фазоинверсных систем, в которых громкоговоритель установлен внутри закрытого корпуса и излучает не прямо в окружающую среду, а через корпус с фазоинверсным отверстием. Применение таких систем позволяет регулировать спад АЧХ не только в сторону низких частот, но и в сторону высоких частот (то есть действует подобно полосовому фильтру). Подбирая размеры и тип камеры (закрытый, с фазоинвертором, "двойным фазоинвертором" и др.), можно менять крутизну спада АЧХ, поэтому по аналогии с фильтрами их называют "полосовыми" оформлениями. Например, полосовое оформление четвертого порядка содержит переднюю камеру с фазоинвертором, заднюю - закрытую, скорость спада при этом в сторону высоких частот 24 дБ/окт, то есть соответствует фильтру четвертого порядка; полосовое оформление шестого порядка имеет обе камеры с фазоинвертором, при этом спад - 36 дБ/окт.

Если в корпусе установлены два одинаковых громкоговорителя на один фазоинвертор, то это называется "низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой" (если громкоговорители включены в противофазе, то такое соединение называется "push-pull"). Такого типа оформления часто используются в настоящее время в низкочастотных блоках (субвуферах), которые широко применяются в аппаратуре для домашнего кинотеатра и др.

В этих же блоках используются двойные оформления (типа Isobarik), когда два низкочастотных громкоговорителя нагружены на закрытую дополнительную камеру. Один работает на внутренний объем (закрытый или с фазоинвертором), другой излучает во внешнюю среду - это позволяет снизить частоту среза, уменьшить уровень гармоник, особенно четных, и уменьшить общий объем системы (рис. 9).

7. Рупорное оформление (horn) используется как "акустический трансформатор", обеспечивающий улучшение условий согласования (то есть повышающий акустическое сопротивление) громкоговорителя со средой. Это позволяет существенно (в три и более раза) увеличить КПД акустической системы и улучшить характеристики направленности. Однако для низких частот размеры рупора получаются слишком большими, поэтому в некоторых мощных акустических системах используются свернутые рупоры (folded horn, рис. 10), иногда со специальными компрессионными камерами, что позволяет получать большие уровни звукового давления на низких частотах.

Кроме перечисленных, наиболее распространенных видов оформлений, в каталогах, журналах, рекламах упоминаются и другие.

Теория расчета основных видов низкочастотных оформлений глубоко проработана и практически полностью переведена на компьютерные методы. Приближенные методы расчета будут приведены в следующей статье.

Вопрос о достоинствах и недостатках каждого вида оформлений довольно сложен, конкретный выбор зависит от назначения и спецификации данной акустической системы.

Влияние формы корпуса на АЧХ
В области средних и высоких частот существенное влияние на форму амплитудно-частотной характеристики и качество звучания акустических систем оказывает внешняя конфигурация корпуса (то есть его форма, наличие отражающих выступов и впадин, характер округления углов ширина и степень демпфирования его передней стенки и пр.), что обусловлено влиянием дифракционных эффектов. В последние годы, когда параметры высококачественных акустических систем существенно улучшились, вклад дифракционных эффектов в общий уровень искажений стал более заметен, поэтому анализу их влияния на выходные характеристики акустических систем посвящены многочисленные исследования.

Результаты расчетов и эксперименты показали, что использование корпусов со сглаженными углами, обтекаемой формы (в виде сфер, эллипсоидов, цилиндров и др.), с несимметричным расположением громкоговорителей значительно уменьшает неравномерность АЧХ и снижает фазовые искажения (рис. 11).

Однако в связи с тем, что технология изготовления таких корпусов значительно сложнее и дороже, подавляющее большинство акустических систем выпускается в корпусах прямоугольной формы. При этом применяются специальные меры для уменьшения дифракционных эффектов на углах передней панели: специальное заглушение панели, оптимизация соотношения размеров передней панели и глубины корпуса, подбор несимметричного расположения громкоговорителей и др.

Стремление сдвинуть дифракционные пики-провалы на АЧХ в более высокочастотную область и тем самым снизить их влияние, заставляет использовать максимально узкие передние панели (насколько позволяют размеры низкочастотного громкоговорителя). Современная техника цифровых измерений дает возможность количественно оценить вклад дифракционных эффектов в общий уровень неравномерности АЧХ (он может достигать 4 дБ) и рассчитать искажения ГВЗ (до 0,5 мс). Полученные значения оказались достаточно высоки, что заметно сказывается на качестве звучания, поэтому сложные внешние конфигурации многих современных акустических систем обусловлены не только эстетическими соображениями, но и стремлением улучшить их параметры и качество звучания.

Влияние вибрации корпуса на АЧХ
Корпус акустической системы в области средних и высоких частот вносит также значительные искажения в воспроизводимый сигнал из-за колебаний стенок корпуса и заключенного в них объема воздуха. Это приводит к изменению формы АЧХ: снижению уровня звукового давления на низких частотах и увеличению неравномерности на средних; возрастанию нелинейных искажений и увеличению переходных процессов, что ухудшает качество звучания акустических систем, внося так называемые "ящичные" (boxes) призвуки.

Анализ механизмов возникновения звукоизлучения из-за вибраций стенок корпуса показывает, что существуют два пути передачи колебаний от громкоговорителя к стенкам корпуса:
- возбуждение колебаний внутреннего объема воздуха в корпусе от тыльной поверхности диафрагмы и передача через него колебаний на стенки корпуса;
- прямая передача вибраций от диффузородержателя на переднюю стенку, а от нее на боковые и на заднюю.

В области частот примерно до 600 Гц существенный вклад вносят оба механизма передачи, на более высоких частотах в основном играет роль второй механизм. Для уменьшения влияния этих явлений используют различные конструктивные меры, а также различные способы звуко- и виброизоляции и поглощения.

Для уменьшения передачи колебаний за счет внутреннего объема корпуса и демпфирования его внутренних резонансов применяют различные методы звукопоглощения: обычно корпус полностью или частично заполняется тонковолокнистыми упругопористыми материалами (синтетические волокна, минеральная вата и др.).

Для увеличения коэффициента поглощения в области низких частот необходимо увеличивать толщину и плотность заполнения. Однако чрезмерное заполнение корпуса звукопоглощающим материалом может привести к снижению уровня звукового давления на низких частотах и к излишней "сухости" басов. Рекомендуемая плотность заполнения составляет 8-11 кг на куб. м. За последние годы создано новое поколение звукопоглощающих материалов, обеспечивающих эффективное демпфирование резонансных колебаний внутреннего объема в заданной области частот. В некоторых моделях используются перфорированные и сотовые панели поглотителей внутри корпуса. Внесение поглотителя значительно снижает неравномерность АЧХ.

Для уменьшения колебаний стенок корпуса необходимо применение мер, направленных на увеличение его звукоизолирующей способности. Звукоизолирующая способность корпуса акустической системы состоит в следующем: часть звуковой энергии, излучаемой внутрь корпуса диафрагмой громкоговорителя, поглощается в слоях звукопоглощающего материала, часть попадает на стенки корпуса.

В стенках происходят следующие процессы: некоторая доля энергии возвращается обратно внутрь корпуса, другая рассеивается в материале стенок из-за потерь на трение и остаточную деформацию, третья проходит в окружающую среду за счет упругих продольных и поперечных колебаний стенок и через щели и поры в материале. Задача выбора конструкций стенок корпуса состоит в том, чтобы максимально увеличить коэффициент звукоизоляции, то есть уменьшить долю прошедшей энергии по отношению к падающей.

Коэффициент звукоизоляции существенно зависит от жесткости и массы стенок. Поэтому для уменьшения общего уровня звукоизлучения от стенок (то есть для повышения их звукоизоляции) применяются различные меры для повышения их жесткости и массы.

1. Использование для стенок тяжелых и жестких материалов: кирпича, мрамора, пенобетона и др. Эффект звукоизоляции получается очень хороший (до 30 дБ и более), соответственно улучшается качество звучания акустических систем. Но такие корпуса оказываются слишком тяжелыми и дорогими для широкого применения, что затрудняет их изготовление и эксплуатацию. Поэтому в качестве материалов для корпусов обычно используются: многослойная фанера, древесностружечная плита (ДСП), древесноволокнистая плита (ДВП) и др. (толщина фанеры для боковых стенок выбирается в пределах 18...20 мм, для лицевых - 20...40 мм).

2. Применение многослойных материалов из слоев различной жесткости и плотности, что позволяет существенно уменьшить колебания стенок.

3. Использование специальных вибропоглощающих покрытий стенок корпуса. В зависимости от диапазона резонансных частот стенок выбираются "жесткие", "мягкие" или армированные покрытия.

4. Применение конструктивных мер: ребер жесткости, стяжек, распорок между стенками, разделение корпуса на отдельные отсеки и т. д.

Анализ второго способа возбуждения колебаний стенок корпуса показывает, что при колебаниях подвижной системы громкоговорителя возбуждаются колебания диффузородержателя, которые передаются на переднюю панель. Затем возникают интенсивные продольные колебания боковых стенок, которые передают вибрации на заднюю и верхние панели.

В области низких частот стенки корпуса колеблются синфазно. В этой области уровень виброускорения на стенках (а, следовательно, и уровень звукоизлучения от них) определяется их общей упругостью и упругостью заключенного в них объема воздуха. По мере повышения частоты начинаются интенсивные изгибные колебания всех стенок корпуса, амплитуды которых имеют максимальные значения на резонансных частотах. Измерения виброускорения на стенках корпусов показывают, что наибольшие амплитуды вибраций имеют место на передней и задней стенках, затем на верхней и боковых. Общая картина распределений на стенках корпуса показана на рис. 12.

Для борьбы с прямой передачей вибраций применяют методы виброизоляции и вибропоглощения. Эффект виброизоляции обеспечивается применением упругих амортизаторов при креплении громкоговорителя к корпусу, а иногда и передней стенки корпуса к боковым. При конструировании высококачественных акустических систем применяют сплошные резиновые прокладки между диффузородержателем и передней панелью, локальные опорные виброизоляторы для крепления винтов, амортизирующие прокладки для крепления передней панели к боковым, развязку диффузородержателя от передней панели за счет дополнительной опоры его на дно и т. д. Все эти меры позволяют уменьшить передаваемый уровень вибрации на боковые и задние стенки корпуса на 10...11 дБ.

В современных высококачественных акустических системах корпус представляет собой чрезвычайно сложную и дорогостоящую конструкцию (рис. 13). В качестве критерия эффективности принятых мер по звукоизоляции корпуса принято считать разницу между уровнем звукового давления, излучаемого стенками корпуса, и уровнем звукового давления от акустической системы в целом, она должна составлять не менее 20 дБ.

Кроме объективных измерений при проектировании проводится прослушивание акустических систем в корпусах различной конструкции, результаты которых подтверждают большое влияние корпуса на объективные и субъективные характеристики акустических систем.

Wi-Fi