Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
В. Анатомия органов чувств (глаз, ухо) в схемах и рисунках. – М, 003. 7. Очкуренко О.М., Федотов О.В. Анатомия людини з основами гистологии и ембриоло...полностью>>
'Документ'
Новая двухзондовая аппаратура ИНГК предназначена для исследования в эксплуатационных, фонтанирующих и нагнетательных скважинах и производит измерение...полностью>>
'Документ'
Подбор материалов в пакет изделия. Разработка конфекционной карты: Метод. указания к лаб. работе / Казан. гос. технол. ун-т; Сост.: Л.Г. Хисамиева. К...полностью>>
'Документ'
1. Совету УНИДС провести в период с 13.04.2009 г. по 17.04.2009 г. 62-ю студенческую научно-техническую конференцию (СНТК) и выставку научно-техничес...полностью>>

Электрические мощности

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

1

Смотреть полностью

Электрические мощности . В отечественных стандартах нормируются два типа:

- Номинальная определяется нормируемым коэффициентом гармоник и для отечественных акустических систем обычно указывается в наименовании (35АС-012 – номинальная мощность 35 Вт).

- Паспортная определяется тепловой и механической прочностью громкоговорителя и проверяется при подведении к нему в течении 100 часов специального взвешенного корректирующей цепью сигнала типа розового шума с пик-фактором, равным двум. Обычно ее величина выше номинальной (например, для 35АС-012 паспортная мощность составляет 90 Вт).

В рекомендациях МЭК используются следующие виды.

- Характеристическая , при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления, равный 94 дБ на расстоянии 1м.

- Паспортная , при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при подведении специального шумового сигнала (совпадает с определением одноименной мощности в отечественной классификации).

- Максимальная синусоидальная – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может работать длительное время без механических и тепловых повреждений.

- Долговременная максимальная – мощность, которую выдерживает Ас без механических и тепловых повреждений в течении 1мин при таком же испытательном сигнале, как и при оценке паспортной мощности.

- Кратковременная максимальная – мощность, которую выдерживает Ас при испытаниях на сигнале розового шума в течении 1сек. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 мин.

Номинальное электрическое сопротивление. Обычно составляет величину 4 или 8 Ом. В реальных АС имеет комплексный характер и зависит от частоты. При этом минимальное значение модуля полного электрического сопротивления АС не должно отличаться от указанного номинального значения не более чем на 20%.

Электромагнитные громкоговорители

Исторически первыми были электромагнитные громкоговорители, кторотые по принципу действия не отличались от электромагнитных головных телефонов, но для обеспечения достаточной громкости звука необходимо было обеспечить большую площадь излучения. Это достигалось либо при помощи рупора (рис. а), либо при помощи диффузора (рис. б).

К достоинствам электромагнитных громкоговорителей относится хорошее согласование с высокоомными источниками сигнала, т.к. стационарная катушка может содержать большое число витков.

Недостатком является то, что подвижная система должна содержать магнитный материал, имеющий большую массу.

Промежуточное положение между электромагнитными и электродинамическими занимают излучатели с наведенным током. Конструктивно они представляют собой неподвижный магнит с катушкой, а подвижная часть содержит короткозамкнутую катушку, как правило одновитковую, в виде кольца из легкого металла. Неподвижная катушка, намотанная на керне, наводит в подвижной катушке ток идентичного направления, и подвижная катушка отталкивается от неподвижной. Преимущество такой конструкции состоит в облегчении двигающей части подвижной системы и отсутствии необходимости токоподвода к подвижной части (ненадежного и являющегося потенциальным источником дребезга).

Электродинамические громкоговорители

Электродинамические громкоговорители являются в настоящее время самыми употребительными. Чаще всего излучающая часть подвижной системы выполняется либо в форме купола (купольные громкоговорители), либо в форме конуса (конусные громкоговорители).

Купольные электродинамические громкоговорители

Купольные электродинамические головки громкоговорителя принципиальных отличий по конструкции от микрофонных и телефонных электродинамических капсюлей с сосредоточенной катушкой не имеют. В связи с тем, что подвижная система подвешивается только в одном месте, купольные головки не могут иметь большой диаметр (более 7... 10 см). А т.к. малый диаметр излучателя обязывает к большому ходу (увеличивающемуся с понижением частоты), то купольные головки используются только как:

1) ВЧ и реже СЧ (не ниже 500 Гц) преобразователи прямого излучения;

2) в рупорных излучателях, т.к. там рабочие смещения подвижной системы гораздо меньше.


1 - диффузор, 2 - сетка, 3 - медный колпачок, 4 - верхний фланец, 5 - кожух, 6звуковая катушка, 7 - вкладыш, 8 - шайба, 9 - подвес, 10 - нижний фланец, 11 — магнит, 12 - керн

Варианты конструкции:

1. Подвес может выполняться не из материала купола, а из гибкого нехрустящего материала. Вообще подвес (включая токопроводы через него к катушке) является «узким местом» купольных головок.

  1. Цилиндр, на котором намотана катушка, может выполняться удлиненным и подвешиваться в двух местах при помощи шайбы 8 и собственно подвеса 9. Это позволяет иметь больший ход без перекоса подвижной системы, а следовательно, меньшую нижнюю граничную частоту.

  2. В керне может выполняться отверстие для увеличения гибкости воздуха под куполом. Это снижает резонансную частоту и уменьшает деформационные усилия, приложенные к куполу.

Конусные электродинамические громкоговорители прямого излучения

Головка состоит из магнитной цепи 5, б, 7, в рабочем зазоре которой находится катушка 4, намотанная на бумажном или незамкнутом металлическом каркасе. Катушка прикреплена к диффузору в виде усеченного конуса 1, подвешенному к диффузородержателю 8 и магнитной системе в плоскостях, усекающих конус, при помощи центрирующей шайбы 3 и гофрированного воротника (гофра) 2. В центре диффузора может быть закреплен либо пылезащитный колпак, либо рассекатель.


1 — диффузор, 2 - гофр, 3 - центрирующая шайба, 4 - катушка, 5 - магнит, 6- керн, 7 - фланец, 8 - диффузородержатель, 9 — пылезащитный колпак

Конусные головки с пылезащитным колпаком

Куполообразный пылезащитный колпак 9 выполняет следующие функции.

1. Защищает магнитный зазор от пыли, особенно магнитной.

2. Экранирует высокие частоты, излучаемые окрестностью крепления катушки, с целью снижения верхней граничной частоты головки. Это полезно тем, что продукты нелинейных искажений головки за пределами ее рабочего диапазона частот подавляются.

Колпак может изготавливаться из того же материала, что и диффузор, из пластика (например, лавсана) или из ткани.

Отрицательные последствия установки колпака.

1. Гибкость воздуха под колпаком уменьшает общую гибкость подвижной системы. Для стравливания давления под колпаком он может выполняться из акустически проницаемого материала (например, пропитанной ткани) либо в диффузоре или колпаке могут выполняться отверстия (иногда забираемые тканью для внесения дополнительных потерь).

2. Увеличивается масса подвижной системы.

Защитный колпак может также выполняться вогнутым.

Конусные головки с рассекателем

В этом случае колпак не устанавливается, а вместо него на керне размещается рассекатель конусной, пулевидной (рис. а) или грибовидной (рис. 6) формы.

Рассекатель выполняет следующие функции:

  1. Препятствует возникновению резонансных явлений в чашке, образованной диффузором.

  2. Образует совместно с диффузором рупор, способствующий более эффективному излучению ВЧ. Это свойство применяется в высококачественных широкополосных головках, например, Lowther. К точке крепления катушки может прикрепляться дополнительный диффузор также для более эффективного излучения ВЧ (может совместно применяться либо с колпаком, либо с рассекателем).

  3. Может использоваться для дефокусирования энергии с акустической оси АС и расширения диаграммы направленности на СЧ.

Электродинамические громкоговорители с распределенной катушкой

Электродинамические громкоговорители с распределенной катушкой (называемые также магнепланарными) принципиальных отличий от головных телефонов соответствующей конструкции не имеют. Используются и как широкополосные излучатели, и для диапазона СЧ-ВЧ, и для ВЧ. Хруст мембраны еще более вероятен, чем в головных телефонах, в связи с большей амплитудой колебаний.

Излучатели Хейла

Всем излучателям свойственен общий недостаток - для увеличения КПД необходимо увеличивать размеры излучателя, что означает обострение диаграммы направленности. Разновидностью электродинамических излучателей с распределенной катушкой являются излучатели Хейла. Идеей этого излучателя является получение высокого КПД при малых размерах. Излучающий элемент представляет собой гофрированную гармошкой мембрану 1 с нанесенной на нее плоской катушкой 2. Мембрана помещена в магнитное поле, перпендикулярное мембране. Ток в проводниках на соседних элементах «гармошки» течет в противоположные стороны, поэтому под действием электрического сигнала «гармошка» сжимается и разжимается, что приводит к выталкиванию и всасыванию в нее воздуха. В итоге относительно небольшая колебательная скорость элементов «гармошки» вызывает в несколько раз (до пяти) большую колебательную скорость молекул воздуха. Это значительно повышает КПД, т.к. акустическая мощность пропорциональна квадрату колебательной скорости.

1 - мембрана; 2 - напыленный проводник 3 - фрагменты магнитной системы

Недостаток излучателей Хейла состоит в том, что, для того чтобы создать пронизывающее «гармошку» магнитное поле, магнитная система должна перекрывать ее. Огибая магнитную систему, импульсные звуки рассеиваются во времени.

Излучатель Хейла применяется в основном на ВЧ, но иногда и на СЧ и НЧ (ESS, модель Transor ATD).

Электростатические громкоговорители

Конструкция излучателей электростатических громкоговорителей принципиально не отличается от конструкции электростатических головных телефонов. Отличие состоит в значительно большей площади излучателя, которая необходима для получения достаточной чувствительности.

Отрицательным последствием большой площади поверхности является очень острая направленность излучения. Излучатель на приведенном рис. изогнут для борьбы с этим эффектом. Другой способ расширения диаграммы направленности состоит в организации акустической линзы Френеля: разделении всей панели на зоны, запитываемые со сдвигом во времени. Такой подход применяется в акустических системах Quad.

Помимо острой направленности, недостаток электростатических АС состоит в емкостном характере их сопротивления. На ВЧ импеданс излучателей падает; такая нагрузка является «сложной» для усилителя.

Ионные громкоговорители

Ионные громкоговорители представляют собой иглу, на которую подается высокочастотное (до нескольких десятков МГц) напряжение большой амплитуды. Вокруг иглы возникает коронный разряд, ионизирующий молекулы воздуха. При амплитудной модуляции ВЧ-сигнала звуковым диаметр облака ионов меняется в такт со звуком, что приводит к возбуждению звуковой волны в среде.

Достоинства :

  1. Отсутствие движущихся частей исключает хруст и дребезг при их перемещении.

  2. Ненаправленное излучение.

  3. Гладкая АЧХ.

Недостатки:

  1. Низкий КПД в связи с малой площадью ионного облака. Реально ионные излучатели используются только на ВЧ (не ниже 800 Гц) и только в рупорном оформлении. Это в значительной степени нивелирует преимущества по АЧХ и ненаправленности излучения.

  2. Шум коронного разряда. Для борьбы с ним повышают частоту ВЧ напряжения до нескольких десятков мегагерц.

  3. Огромные электромагнитные помехи, в том числе и собственному тракту.

  4. Генерируемый в больших количествах озон при длительном использовании громкоговорителя раздражает слизистую оболочку глаз и легкие.

Акустические оформления громкоговорителей

Задачи, которые решает акустическое оформление громкоговорителей, следующие:

  1. устранить или ослабить акустическое короткое замыкание (АКЗ) - непосредственное взаимодействие областей сжатия и разрежения, образующихся по обеим сторонам подвижной системы;

  2. с использованием присоединенного к акустическому оформлению или заключенного в него воздуха создать резонансные свойства системы головка-оформление, которые обеспечивают наилучшую форму АЧХ или передаточной характеристики акустической системы в целом;

  3. акустически трансформировать излучаемые подвижной системой головки колебания для наиболее эффективного излучения в пространство (это действительно главным образом для рупорного оформления);

  4. сформировать заданную направленность излучения акустической системы.

На практике используют следующие разновидности акустических оформлений

экран,

закрытый ящик,

фазоинвертор,

оформление с пассивным излучателем

полосовой резонатор.

Экран

Экран представляет собой недеформируемую звуковой волной панель, в которой установлена головка громкоговорителя. Цель экрана - устранить акустическое короткое замыкание путем экранирования тылового излучения. Рассмотрим две разновидности экранов: бесконечный экран и экран конечных размеров.

Бесконечный экран разделяет пространство на два полупространства, в одном из которых находится слушатель. Тыловое излучение при этом экранируется совершенно. Это не столь абстрактное оформление, как кажется на первый взгляд: врезанная в стену головка громкоговорителя работает примерно в этом оформлении.

Экран конечных размеров

Если экран имеет конечные размеры, то в помещение прослушивания проникает излучение не только фронтальной, но и тыловой стороны подвижной системы. Это определяет следующие специфические особенности данного типа оформления:

1. Акустическое короткое замыкание между фронтальной и тыльной стороной диффузора не подавляется, а смещается в более низкочастотную область. Важно отметить, что в режиме АКЗ, хотя продольная волна почти не возникает, колебания среды по-прежнему есть.

  1. Громкоговоритель в целом представляет собой диполь.

  2. Проникающее в зону прослушивания задержанное излучение создает дополнительную реверберацию. Т.е. экран конечных размеров представляет собой реверберационный фильтр, который при определенных условиях может облагораживать воспроизводимую фонограмму.

В связи с соизмеримостью размеров экрана с длиной волны, АЧХ имеет гораздо более сложный вид, чем, например, у микрофонов градиента давления, где роль АКЗ сводится к формированию монотонно нарастающей со скоростью 6 дБ/окт. АЧХ.

На АЧХ можно выделить три характерные зоны:

  1. область полного АКЗ;

  2. область периодического АКЗ;

  3. область отсутствия дифракции.

Для уменьшения интерференционных провалов АЧХ применяют асимметричную установку ГГ в экране. Это несколько уменьшает отдачу на пиках, зато увеличивает на провалах за счет того, что условия интерференционного нуля оказываются на разных частотах при огибании экрана с разных сторон. Для эффективного излучения НЧ размеры экрана должны быть большими - для 40 Гц: λ/2=4м. Поэтому обычно экран сворачивают в виде ящика без задней стенки (или с акустически прозрачной задней стенкой). Таково большинство акустических систем, встроенных в аудио- и видеоаппаратуру.

Закрытый ящик

По характеристикам к бесконечному экрану гораздо ближе закрытый ящик (ЗЯ), чем экран конечных размеров: излучение тыльной стороны подвижной системы также не достигает слушателя. Для выполнения этого условия ящик должен быть герметичным и стенки ящика не должны вибрировать под действием внутреннего давления. Для уменьшения вибраций стенок толщина их выбирается значительной, а также применяются стяжки или распорки. Стравливание давления из ящика через щели или через подвижную систему громкоговорителя может приводить к тому, что система, внешне оставаясь закрытым ящиком, демонстрирует свойства, характерные для систем, использующих тыловое излучение. Акустически глухой ЗЯ - сложная конструкция.

С точки зрения АЧХ, отличие ЗЯ от бесконечного экрана состоит в том, что к подвижной системе присоединятся гибкость и потери в воздухе внутри ящика. Это используется в АС среднего качества для имитации хорошей отдачи на НЧ. Понизить добротность и резонансную частоту можно, если повысить собственную гибкость подвижной системы. Такие головки с очень гибкой подвижной системой, низкими собственными резонансной частотой и добротностью называются головками с акустическим подвесом. Гибкий подвес, однако, создает риск перекоса подвижной системы, заставляет увеличивать ширину магнитного зазора, что отрицательно сказывается на КПД.

Еще одно отличие ЗЯ от бесконечного экрана состоит в том, что фронтальное излучение на низких частотах распространяется на все пространство, а не на полупространство. Это означает снижение звукового давления на 6 дБ. А на высоких частотах, когда фронтальные размеры АС больше длины волны, по-прежнему озвучивается полупространство. Поэтому АЧХ ЗЯ приобретает подъем на 6 дБ от НЧ к ВЧ. Он плавный, если корпус обтекаемый, и изрезанный, если корпус имеет форму параллелепипеда.

Фазоинвертор

Идея фазоинверсного оформления состоит в том, чтобы использовать излучение тыловой стороны подвижной системы, проинвертировав его механическим фазо-инвертором, состоящим из гибкости воздуха в ящике cv и массы воздуха в трубе тт.

Фазоинвертор представляет собой ящик, в котором расположен громкоговоритель, с дополнительным отверстием в передней стенке для включения излучения тыльной стороны диффузора в общее излучение. При очень низких частотах фазовый набег между излучениями фронтальной стороны диффузора и отверстия близок к нулю, поэтому КПД устройства на этих частотах существенно ниже, чем у громкоговорителя в закрытом ящике. С повышением частоты фазовый сдвиг растет и достигает величины , т.е. излучения становятся синфазными, что увеличивает суммарное звуковое давление. При дальнейшем повышении частоты сказывается инерционность воздуха в канале фазоинвертора, так что отверстие как бы «закупоривается» и конструкция ведет себя как закрытый ящик.

Оформление с пассивным излучателем

Отличие акустического оформления с пассивным излучателем от фазоинвертора состоит в том, что в качестве инерционного элемента используется не масса воздуха в трубе, а масса подвижной системы тпи еще одного излучателя. Этот излучатель не используется для электромеханического преобразования и поэтому называется пассивным.

Полосовой резонатор

О
бщее отличие полосового резонатора от предыдущих разновидностей акустического оформления состоит в том, что АЧХ громкоговорителя ограничена не только снизу, но и сверху. Достигается это благодаря тому, что ГГ излучает не в среду, а в промежуточный бокс, в котором имеется отверстие или отверстия, излучающие наружу. Ясно, что такое оформление применяется только для воспроизведения части звукового диапазона ниже некоторой частоты. Обычно полосовой резонатор применяется для воспроизведения самых низких частот звукового диапазона.

Существуют также акустические оформления, функциональные свойства которых основаны на том, что масса и гибкость воздуха распределены по объему оформления, линейные размеры которого сопоставимы с длиной волны. К таким оформлениям относятся рупорные, оформления типа «лабиринт» и «трансмиссионная линия»..

Акустические системы на основе нескольких излучателей

Реализация акустических систем с заданными характеристиками оказывается возможной на основе нескольких излучателей. По частотным характеристикам излучателей возможны самые различные их сочетания. Наибольший же практический интерес представляет объединение излучателей, различающихся диапазоном рабочих частот - многополосные АС.

Практически все современные АС представляют собой многополосные акустические системы. Сконструировать один излучатель, который бы одинаково хорошо работал в диапазоне десяти октав, чрезвычайно сложно и дорого. Это объясняется тем, что.

1. Для формирования достаточного давления на низких частотах в громкоговорителях с умеренной площадью излучения необходима большая амплитуда смещения диффузора (до 10 мм и более). Это приводит к тому, что чувствительность головки к высокочастотному сигналу изменяется при смещении подвижной системы низкочастотным сигналом, т.е. возникают интермодуляционные искажения.

2. Для того чтобы уменьшить амплитуду смещения диффузора, увеличивают площадь подвижной части. С увеличением площади диффузора возрастает его деформация на высоких частотах. Это приводит к росту как нелинейных искажений, так и уменьшению эффективной излучающей поверхности, т.е. к линейным искажениям.

3. Катушка низкочастотного громкоговорителя, будучи намотана толстым проводом (для того чтобы выдержать большую мощность), имеет большую длину провода и, следовательно, большую индуктивность. В результате, если громкоговоритель питается от источника напряжения, образуется LR - фильтр низких частот, ограничивающий воспроизводимый диапазон сверху. При питании от источника тока этого не происходит, но на высоких частотах источник тока оказывается практически на холостом ходу.

Многополосное построение АС является способом борьбы с перечисленными проблемами и сводится к раздельному воспроизведению отдельных частотных полос сигнала. Успешное решение этой задачи во многом определяется оптимальным разбиением сигнала на полосы с учетом последующей реализации с при разумной сложности фильтров, предполагаемых к использованию головок громкоговорителей. При этом оказывается возможным построение как активных, так и пассивных акустических систем.

Пассивные акустические системы

При пассивном построении многополосной АС широкополосный усилитель питает несколько головок громкоговорителей, включенных через пассивные LC-разделительные фильтры.

Достоинство -: становится возможным фрактальное деление системы (деление на относительно независимые части): на источник сигнала, усилитель и акустическую систему. Несмотря на то, что технически пассивное построение имеет практически только недостатки, с системной точки зрения, фрактальная разделимость обеспечивает возможность поступательного усовершенствования системы путем совершенствования каждого блока «узкими специалистами», адаптируемость системы к требованиям конкретного потребителя.

Недостатки:

  1. Головка громкоговорителя - нагрузка далеко не линейная, и, когда реактивное устройство - пассивный фильтр - имеет нелинейную нагрузку, сочетание реактивных и нелинейных эффектов значительно усложняет характер нелинейности.

  2. Значительная мощность и требование малых ее потерь делают сложным изготовление одновременно качественного и недорогого фильтра. В частности, в катушках иногда применяют сердечники, что снижает линейность фильтра.

  3. Частотная неравномерность входного сопротивления АС может быть значительной, особенно на частотах раздела полос, что может отрицательно сказаться на работе усилителя.

Для дополнительного снижения интермодуляционных искажений, иногда применяют раздельные провода для передачи сигналов к головкам. Четырехпроводное подключение АС к усилителю. Можно пойти еще дальше и применить раздельные усилители для разных частотных каналов, тогда придем к активному построению АС.

Активные акустические системы

В случае активного построения АС сигнал от источника подается на несколько усилителей, к каждому из которых подключена головка громкоговорителя.

Достоинства такого подхода

1. Каждый усилитель усиливает только часть сигнала, что уменьшает интермодуляционные и гармонические искажения в усилителе. Особенно это значимо для ВЧ-канала, поскольку общая мощность спектральных компонент в этом диапазоне в несколько раз ниже общей мощности сигнала.

2. Те искажения, которые в усилителе все-таки образуются, но не входят в рабочую полосу частот головки данного канала, будут дополнительно подавлены.

3. Открываются возможности дополнительной оптимизации системы усилитель - головка.

Недостаток - активная система с трудом поддается разделению на части для раздельного производства и реализации компонентов. Поэтому активное построение акустических систем нашло применение в основном в профессиональной технике, в бескомпромиссных Hi-End-системах и в автомобильном аудио, где продаваемые компоненты все равно не являются потребительски законченными устройствами.

Разделительные фильтры (кроссоверы)

Необходимой составляющей многополосной АС является фильтр, разделяющий полную частотную полосу сигнала на совокупность сопряженных частотных полос. Такой фильтр называется либо разделительным, либо разветвляющим, либо кроссовером.

Особенности отношений характеристик фильтров, составляющих кроссовер, и должны являться главным предметом внимания при проектировании кроссоверов.

При строгом подходе синтез кроссовера должен выполняться с учетом собственных АЧХ и ФЧХ головок, однако для оценки влияния характеристик собственно кроссовера обычно рассматривают его работу на чисто активную нагрузку.

ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ТЕЛЕФОНЫ

Громкоговорители и телефоны – преобразователи электрических колебаний в акустические. В большинстве типов громкоговорителей и телефонов это преобразование осуществляется непосредственно, однако существуют громкоговорители, основанные на релейном принципе, в которых энергия постоянного потока воздуха преобразуется в акустическую энергию под действием акустических или механических колебаний (например, пневматические громкоговорители).

Головные телефоны

Головной телефон – устройство преобразования электрического сигнала в звуковое давление непосредственно возле или внутри наружного уха.

Головной телефон является устройством, предназначенным для индивидуального использования, что предполагает малый уровень выходной акустической мощности. Из этого следуют такие достоинства подобных преобразователей, как портативность, малые габариты и масса. Малые уровни электрической и акустической мощности упрощают задачу линейного преобразования, т.к. малым амплитудам колебаний подвижной системы соответствуют и меньшие нелинейные искажения. Реализация стереоэффекта при использовании парных телефонов практически не имеет недостатков, поскольку каждое ухо воспринимает сигнал только одного канала, а свойственный для акустических систем «хоровой эффект» отсутствует.

К особенностям применения телефонов следует отнести полное отсутствие реверберационной фильтрации сигнала. Это приводит к тому, что «хрустящие» искажения в головных телефонах и дисгармонические призвуки в усилителе гораздо заметнее, чем в акустических системах. Это значительно ужесточает требования к электроакустическому преобразованию.

Классификация телефонов

По типу акустической связи с ухом

с плотным амбушюром

наружные

вкладываемые в ухо

.1 - амбушюр, 2 - подвижная система

По взаимодействию объемов, примыкающих к подвижной системе преобразователя, со средой

закрытые

открытые

По виду преобразования энергии электромагнитные

электродинамические(со сосредоточенной и распределенной катушкой

электростатические

электретные

Закрытые головные телефоны

В закрытых головных телефонах объемы перед и за подвижной системой изолированы (со средой не взаимодействуют). Рис. а-6 представляют данную разновидность головных телефонов, если амбушюр выполнен из акустически непроницаемого материала.

Достоинства: На низких частотах головные телефоны закрытого типа работают как компрессоры - звуковое давление пропорционально смещению мембраны независимо от частоты (до нулевой частоты включительно). Это означает отсутствие фазовых и амплитудных искажений на НЧ. В акустических же системах более низкие частоты требуют большей амплитуды колебаний подвижной системы.

Хорошая изоляция от внешних шумов и окружающего пространства от сигнала головных телефонов. Это важно, в частности, в студиях звукозаписи.

Недостатки: Утомление слуха.

Даже если ушная раковина и не сминается, ее характеристики нарушаются: в естественных условиях она работает в условиях бегущей волны, а не статической компрессии.

Открытые головные телефоны

Открытые головные телефоны, в свою очередь, подразделяются на:

Открытые давления (рис. а). Открыта в окружающую среду тыловая часть подвижной системы. Свойства в основном аналогичны закрытым, кроме звукоизоляции пространства от звука головных телефонов и стравливания давления в тыловом объеме.

Открытые скоростные (рис. б). Пространство, включающее ушную раковину и излучатель, сообщается с окружающей средой и из-за частичного стравливания давления из этого пространства звуковое давление у барабанной перепонки оказывается пропорциональным скорости подвижной системы, а не смещению. Поэтому головные телефоны данного типа называются скоростными.

Взаимодействие окружающей среды и объема между ушной раковиной и излучателем может быть реализовано следующими способами:

преобразователь прижимается к уху через акустически проницаемую прокладку, например из пенополиуретана;

преобразователь отодвигается от уха на несколько сантиметров специальной рамкой;

просто не принимают специальных мер для герметизации этого объема.

Достоинство: ушная раковина работает в более естественном режиме, пространственное впечатление лучше, звук более прозрачный.

Недостаток: спад АЧХ на частотах выше и ниже частоты основного резонанса подвижной системы. Колебательная скорость независима от частоты только в окрестности резонансной частоты, на частотах ниже и выше резонансной колебательная скорость уменьшается.

Электромагнитные головные телефоны

Устройство электромагнитного головного телефона принципиально не отличается от электромагнитного микрофона.

Достоинства: высокая чувствительность и хорошее согласование с маломощными источниками - неподвижная катушка может содержать много витков.

резонансные процессы в мембране могут играть роль фильтра, улучшающего звучание фонограмм низкого качества.

электромагнитные телефоны обладают высокой надежностью..

Применяются для воспроизведения речи без высоких требований к качеству, но с требованиями к надежности и простоте

Электродинамические головные телефоны с сосредоточенной катушкой

Электродинамические головные телефоны с сосредоточенной катушкой принципиальных конструктивных отличий от электродинамических микрофонных капсюлей не имеют. АЧХ и нелинейные искажения удовлетворительные. Это самый распространенный тип головных телефонов широкого употребления.

Электродинамические головные телефоны с распределенной катушкой

В электродинамических головных телефонах с распределенной катушкой (называемых также изодинамическими) подвижная часть не делится на жесткую часть и подвес, а состоит (см. рис.) из эластичной мембраны 2 (иногда гофрированной), на которую напылена или каким-либо другим способом нанесена катушка 3. По обе стороны от мембраны находится магнитная система 1 для создания в плоскости мембраны постоянного магнитного поля. Магнитная система имеет отверстия для прохода звука. Подразумевается, что равномерное воздействие силы на всю плоскость мембраны способствует ее однородному и безрезонансному движению.

К особенностям конструкции следует отнести следующее:

«Гладкие» искажения, например, гармонические, обычно меньше, но мембрана при движении может издавать хруст, который. явно может и не восприниматься, но придает звучанию сиплость. Росту деформаций мембраны способствует наличие довольно тяжелой катушки.

Магнитная система не может быть тонкой и акустически совершенно прозрачной. Это способствует возникновению дифракционных эффектов и смазыванию звука.

Электростатические головные телефоны

Излучатель электростатических головных телефонов представляет собой два перфорированных неподвижных электрода, между которыми натянута металлизированная мембрана. На неподвижные электроды подается противофазное напряжение звуковой частоты и. Постоянная составляющая потенциала неподвижных электродов одинаковая, и относительно нее на мембрану подается напряжение поляризации Un (несколько сот вольт).

Симметричная конструкция излучателя с двумя электродами характеризуется следующими преимуществами:

  1. силы взаимодействия мембраны с электродами складываются, и чувствительность оказывается выше, чем в конструкции с одним электродом;

  2. в отличие от микрофонов, смещения мембраны могут быть значительны, и удаление мембраны от одного электрода сопровождается приближением к другому, что снижает искажения (особенно четные);

  3. мембрана под высоким напряжением оказывается внутри электродов с одинаковым постоянным потенциалом, что делает конструкцию более безопасной.

Общие достоинства электростатических головных телефонов:

Малая масса и однородность мембраны (вследствие отсутствия напыленной катушки) и возможность получить высокую акустическую проницаемость неподвижных электродов позволяют получить точное однородное движение мембраны и бездифракционную доставку звука в ухо.

Высокое входное сопротивление хорошо согласуется с ламповыми усилителями, пользующимися авторитетом у аудиофилов.

Очень немного мощности переводится в тепло (причина потерь энергии - только трение в мембране), что означает высокий коэффициент полезного действия (КПД), если понимать его как отношение излученной мощности к потребленной.

Недостатки:

Вероятность хруста мембраны хоть и меньше, но сохраняется.

Необходим источник поляризующего напряжения и либо дифференциальный трансформатор, либо специальный усилитель.

Обычно электростатические головные телефоны комплектуются собственным усилителем, поскольку все равно к телефонному усилителю по большому счету предъявляются специфические и в отношении искажений весьма жесткие требования с учетом отсутствия реверберационной фильтрации.

Практически по электростатическому принципу строятся только дорогие модели головных телефонов, например, фирм Stax, Grado.

Электретные головные телефоны

Электретные головные телефоны отличаются от предыдущих тем, что поляризующее напряжение создается не внешним источником, а зарядом мембраны.

Недостаток: через несколько лет заряд мембраны заметно уменьшается.

Громкоговорители

Громкоговоритель (громкоговорящее устройство, акустическая система (АС)) - устройство для излучения звука в окружающую воздушную среду. Это оконечное и самое важное электроакустическое устройство: весь процесс записи и производства фонограммы нужен только для того, чтобы когда-нибудь воспроизвести ее (головные телефоны, при помощи которых также возможно воспроизведение фонограммы, создают довольно условные звуковые образы). Считается, что громкоговоритель - самое слабое звено электроакустического тракта (действительно, нелинейные искажения могут превышать 10%, неравномерность АЧХ быть больше 10 дБ, временные искажения - превышать 10 мс).

Громкоговоритель состоит из трех частей.

  1. Головка громкоговорителя (ГГ) - собственно электроакустический преобразователь, включающий подвижную систему, подвергающуюся действию сил электрического происхождения. В состав громкоговорителя может входить одна или несколько головок, однотипных или различных по конструкции.

  2. Акустическое оформление - совокупность акустически непроницаемых или полупроницаемых конструкций, образующих панель, ящик, рупор и т.д., с целью обеспечения эффективного излучения с нужной характеристикой направленности. Поскольку иногда дополнительное к головке громкоговорителя акустическое оформление почти или вовсе отсутствует (например, в электростатических громкоговорителях), то термин «громкоговоритель» применяют и по отношению к головкам громкоговорителя.

  3. Часть громкоговорителей включает электрические фильтры и/или корректоры для разделения сигналов в многополосных системах и корректирования АЧХ и ФЧХ громкоговорителя.

Классификация головок громкоговорителей

По виду преобразования энергииЭлектромагнитные (подвижный магнитопровод).

Электродинамические (подвижная катушка).

- Магнепланарные.

Электростатические.

Пьезоэлектрические.

Магнитострикционные.

Ионные

По способу излучениядиффузорные (излучающие непосредственно в окружающую среду)

рупорные (используют согласующее устройство в виде рупора)

По полосе рабочих частот

Широкополосные - для работы во всем звуковом диапазоне.

Низкочастотные (рабочий диапазон частот от 20...60 Гц до 500... 1000 Гц).

Среднечастотные (рабочий диапазон частот от 200...500 Гц до 5000...8000 Гц).

Высокочастотные (рабочий диапазон частот от 1...5 кГц до 16...30 кГц).

Инфранизкочастотные, называемые также сабвуферами (от англ. subwoofer).

Ультразвуковые

По области примененияпрофессиональные

- бытовые (популярные, Hi-Fi и High-End (условное определение класса громкоговорителей, при изготовлении которых использованы новейшие материалы, конструкции, технологии, позволяющие получение самых высоких характеристик качества)).

Основные технические показатели

Неравномерность АЧХ звукового давления – отношение максимального звукового давления к минимальному в заданном диапазоне частот, измеряемая обычно в дБ. В рекомендациях МЭК 581-7, устанавливающих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, определяется величина в полосе частот 100…8000Гц. В лучших моделях акустических систем обеспечивается .

Среднее звуковое давление - - среднеквадратическое значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенном диапазоне частот в заданной точке свободного поля. Усредняются значения звукового давления, измеренные на частотах, расположенных равномерно в логарифмическом масштабе.

Эффективно воспроизводимый диапазон частот – диапазон частот, в пределах которого уровень звукового давления понижается до некоторого заданного значения по отношению к среднему звуковому давлению. В рекомендациях МЭК 581-7, устанавливающих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, эта характеристика устанавливается как 50…12500Гц при спаде АЧХ, равном 8 дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе 100…8000Гц. В соответствии с ОСТ 4.383.001 неравномерность АЧХ в эффективном звуковом диапазоне устанавливается не более 14 дБ для широкополосных низко- и высокочастотных головок громкоговорителей и 10 дБ – для среднечастотных. В ряде моделей акустических систем Hi-Fi диапазон частот достигает значений 20…40000Гц, в среднем же он составляет 35…20000Гц.

Характеристическая чувствительность – среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1м и подводимой электрической мощности 1Вт. Обычно она выражается в дБ по отношению к стандартному порогу слышимости (2*10-5Па). В большинстве моделей класса Hi-Fi 86…90дБ, в отдельных высококачественных широкополосных моделях он может составлять 93…95 дБ.

В стереофонических системах нормируется также расхождение АЧХ каналов стереопары, которое не должно превышать 2дБ при сравнении средних звуковых давлений.

Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений. Измерения проводятся в заглушенной камере на синусоидальном сигнале при мощности.

Характеристика направленности – зависимость звукового давления , развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля (при одинаковом удалении от рабочего центра), от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на выделенную точку. Обычно эту характеристику нормируют по отношению к осевому звуковому давлению при r=const .

Характеристика направленности изменяется в зависимости от частоты, поэтому ее измеряют или на ряде частот или для заданной полосы частот. Характеристику направленности, снятую в плоскости , называют диаграммой направленности и обычно изображают графически в полярных координатах. В большинстве случаев оказывается достаточным описание диаграммы направленности в двух ортогональных плоскостях.

Для характеристики направленности часто используется коэффициент осевой концентрации - отношение квадратов величин звукового давления, измеренных в условиях свободного поля на определенном расстоянии от рабочего центра громкоговорителя на рабочей оси и усредненного по всем направлениям . Для ненаправленных громкоговорителей , для направленных (до нескольких десятков).

Акустическая мощность , излучаемая громкоговорителем, рассчитывается по измеренному звуковому давлению , где - звуковое давление на заданной частоте F , развиваемое громкоговорителем в i – точке, n – число точек расположения, равномерно распределенных по сфере с центром, совпадающим с рабочим центром громкоговорителя, - плотность воздуха, - скорость звука, - радиус сферы.

КПД громкоговорителя – отношение излучаемой акустической мощности к подводимой электрической при измерениях на заданной частоте или в полосе частот. При усреднении значений КПД, измеренных на разных частотах в заданном диапазоне частот, может быть вычислен средний КПД.

Электрические мощности . В отечественных стандартах нормируются два типа:

- Номинальная определяется нормируемым коэффициентом гармоник и для отечественных акустических систем обычно указывается в наименовании (35АС-012 – номинальная мощность 35 Вт).

- Паспортная определяется тепловой и механической прочностью громкоговорителя и проверяется при подведении к нему в течении 100 часов специального взвешенного корректирующей цепью сигнала типа розового шума с пик-фактором, равным двум. Обычно ее величина выше номинальной (например, для 35АС-012 паспортная мощность составляет 90 Вт).

В рекомендациях МЭК используются следующие виды.

- Характеристическая , при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления, равный 94 дБ на расстоянии 1м.

- Паспортная , при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при подведении специального шумового сигнала (совпадает с определением одноименной мощности в отечественной классификации).

- Максимальная синусоидальная – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может работать длительное время без механических и тепловых повреждений.

- Долговременная максимальная – мощность, которую выдерживает Ас без механических и тепловых повреждений в течении 1мин при таком же испытательном сигнале, как и при оценке паспортной мощности.

- Кратковременная максимальная – мощность, которую выдерживает Ас при испытаниях на сигнале розового шума в течении 1сек. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 мин.

Номинальное электрическое сопротивление. Обычно составляет величину 4 или 8 Ом. В реальных АС имеет комплексный характер и зависит от частоты. При этом минимальное значение модуля полного электрического сопротивления АС не должно отличаться от указанного номинального значения не более чем на 20%.

Электромагнитные громкоговорители

Исторически первыми были электромагнитные громкоговорители, кторотые по принципу действия не отличались от электромагнитных головных телефонов, но для обеспечения достаточной громкости звука необходимо было обеспечить большую площадь излучения. Это достигалось либо при помощи рупора (рис. а), либо при помощи диффузора (рис. б).

К достоинствам электромагнитных громкоговорителей относится хорошее согласование с высокоомными источниками сигнала, т.к. стационарная катушка может содержать большое число витков.

Недостатком является то, что подвижная система должна содержать магнитный материал, имеющий большую массу.

Промежуточное положение между электромагнитными и электродинамическими занимают излучатели с наведенным током. Конструктивно они представляют собой неподвижный магнит с катушкой, а подвижная часть содержит короткозамкнутую катушку, как правило одновитковую, в виде кольца из легкого металла. Неподвижная катушка, намотанная на керне, наводит в подвижной катушке ток идентичного направления, и подвижная катушка отталкивается от неподвижной. Преимущество такой конструкции состоит в облегчении двигающей части подвижной системы и отсутствии необходимости токоподвода к подвижной части (ненадежного и являющегося потенциальным источником дребезга).

Электродинамические громкоговорители

Электродинамические громкоговорители являются в настоящее время самыми употребительными. Чаще всего излучающая часть подвижной системы выполняется либо в форме купола (купольные громкоговорители), либо в форме конуса (конусные громкоговорители).

Купольные электродинамические громкоговорители

Купольные электродинамические головки громкоговорителя принципиальных отличий по конструкции от микрофонных и телефонных электродинамических капсюлей с сосредоточенной катушкой не имеют. В связи с тем, что подвижная система подвешивается только в одном месте, купольные головки не могут иметь большой диаметр (более 7... 10 см). А т.к. малый диаметр излучателя обязывает к большому ходу (увеличивающемуся с понижением частоты), то купольные головки используются только как:

1) ВЧ и реже СЧ (не ниже 500 Гц) преобразователи прямого излучения;

2) в рупорных излучателях, т.к. там рабочие смещения подвижной системы гораздо меньше.


1 - диффузор, 2 - сетка, 3 - медный колпачок, 4 - верхний фланец, 5 - кожух, 6звуковая катушка, 7 - вкладыш, 8 - шайба, 9 - подвес, 10 - нижний фланец, 11 — магнит, 12 - керн

Варианты конструкции:

1. Подвес может выполняться не из материала купола, а из гибкого нехрустящего материала. Вообще подвес (включая токопроводы через него к катушке) является «узким местом» купольных головок.

  1. Цилиндр, на котором намотана катушка, может выполняться удлиненным и подвешиваться в двух местах при помощи шайбы 8 и собственно подвеса 9. Это позволяет иметь больший ход без перекоса подвижной системы, а следовательно, меньшую нижнюю граничную частоту.

  2. В керне может выполняться отверстие для увеличения гибкости воздуха под куполом. Это снижает резонансную частоту и уменьшает деформационные усилия, приложенные к куполу.

Конусные электродинамические громкоговорители прямого излучения

Головка состоит из магнитной цепи 5, б, 7, в рабочем зазоре которой находится катушка 4, намотанная на бумажном или незамкнутом металлическом каркасе. Катушка прикреплена к диффузору в виде усеченного конуса 1, подвешенному к диффузородержателю 8 и магнитной системе в плоскостях, усекающих конус, при помощи центрирующей шайбы 3 и гофрированного воротника (гофра) 2. В центре диффузора может быть закреплен либо пылезащитный колпак, либо рассекатель.


1 — диффузор, 2 - гофр, 3 - центрирующая шайба, 4 - катушка, 5 - магнит, 6- керн, 7 - фланец, 8 - диффузородержатель, 9 — пылезащитный колпак

Конусные головки с пылезащитным колпаком

Куполообразный пылезащитный колпак 9 выполняет следующие функции.

1. Защищает магнитный зазор от пыли, особенно магнитной.

2. Экранирует высокие частоты, излучаемые окрестностью крепления катушки, с целью снижения верхней граничной частоты головки. Это полезно тем, что продукты нелинейных искажений головки за пределами ее рабочего диапазона частот подавляются.

Колпак может изготавливаться из того же материала, что и диффузор, из пластика (например, лавсана) или из ткани.

Отрицательные последствия установки колпака.

1. Гибкость воздуха под колпаком уменьшает общую гибкость подвижной системы. Для стравливания давления под колпаком он может выполняться из акустически проницаемого материала (например, пропитанной ткани) либо в диффузоре или колпаке могут выполняться отверстия (иногда забираемые тканью для внесения дополнительных потерь).

2. Увеличивается масса подвижной системы.

Защитный колпак может также выполняться вогнутым.

Конусные головки с рассекателем

В этом случае колпак не устанавливается, а вместо него на керне размещается рассекатель конусной, пулевидной (рис. а) или грибовидной (рис. 6) формы.

Рассекатель выполняет следующие функции:

  1. Препятствует возникновению резонансных явлений в чашке, образованной диффузором.

  2. Образует совместно с диффузором рупор, способствующий более эффективному излучению ВЧ. Это свойство применяется в высококачественных широкополосных головках, например, Lowther. К точке крепления катушки может прикрепляться дополнительный диффузор также для более эффективного излучения ВЧ (может совместно применяться либо с колпаком, либо с рассекателем).

  3. Может использоваться для дефокусирования энергии с акустической оси АС и расширения диаграммы направленности на СЧ.

Электродинамические громкоговорители с распределенной катушкой

Электродинамические громкоговорители с распределенной катушкой (называемые также магнепланарными) принципиальных отличий от головных телефонов соответствующей конструкции не имеют. Используются и как широкополосные излучатели, и для диапазона СЧ-ВЧ, и для ВЧ. Хруст мембраны еще более вероятен, чем в головных телефонах, в связи с большей амплитудой колебаний.

Излучатели Хейла

Всем излучателям свойственен общий недостаток - для увеличения КПД необходимо увеличивать размеры излучателя, что означает обострение диаграммы направленности. Разновидностью электродинамических излучателей с распределенной катушкой являются излучатели Хейла. Идеей этого излучателя является получение высокого КПД при малых размерах. Излучающий элемент представляет собой гофрированную гармошкой мембрану 1 с нанесенной на нее плоской катушкой 2. Мембрана помещена в магнитное поле, перпендикулярное мембране. Ток в проводниках на соседних элементах «гармошки» течет в противоположные стороны, поэтому под действием электрического сигнала «гармошка» сжимается и разжимается, что приводит к выталкиванию и всасыванию в нее воздуха. В итоге относительно небольшая колебательная скорость элементов «гармошки» вызывает в несколько раз (до пяти) большую колебательную скорость молекул воздуха. Это значительно повышает КПД, т.к. акустическая мощность пропорциональна квадрату колебательной скорости.

1 - мембрана; 2 - напыленный проводник 3 - фрагменты магнитной системы

Недостаток излучателей Хейла состоит в том, что, для того чтобы создать пронизывающее «гармошку» магнитное поле, магнитная система должна перекрывать ее. Огибая магнитную систему, импульсные звуки рассеиваются во времени.

Излучатель Хейла применяется в основном на ВЧ, но иногда и на СЧ и НЧ (ESS, модель Transor ATD).

Электростатические громкоговорители

Конструкция излучателей электростатических громкоговорителей принципиально не отличается от конструкции электростатических головных телефонов. Отличие состоит в значительно большей площади излучателя, которая необходима для получения достаточной чувствительности.

Отрицательным последствием большой площади поверхности является очень острая направленность излучения. Излучатель на приведенном рис. изогнут для борьбы с этим эффектом. Другой способ расширения диаграммы направленности состоит в организации акустической линзы Френеля: разделении всей панели на зоны, запитываемые со сдвигом во времени. Такой подход применяется в акустических системах Quad.

Помимо острой направленности, недостаток электростатических АС состоит в емкостном характере их сопротивления. На ВЧ импеданс излучателей падает; такая нагрузка является «сложной» для усилителя.

Ионные громкоговорители

Ионные громкоговорители представляют собой иглу, на которую подается высокочастотное (до нескольких десятков МГц) напряжение большой амплитуды. Вокруг иглы возникает коронный разряд, ионизирующий молекулы воздуха. При амплитудной модуляции ВЧ-сигнала звуковым диаметр облака ионов меняется в такт со звуком, что приводит к возбуждению звуковой волны в среде.

Достоинства :

  1. Отсутствие движущихся частей исключает хруст и дребезг при их перемещении.

  2. Ненаправленное излучение.

  3. Гладкая АЧХ.

Недостатки:

  1. Низкий КПД в связи с малой площадью ионного облака. Реально ионные излучатели используются только на ВЧ (не ниже 800 Гц) и только в рупорном оформлении. Это в значительной степени нивелирует преимущества по АЧХ и ненаправленности излучения.

  2. Шум коронного разряда. Для борьбы с ним повышают частоту ВЧ напряжения до нескольких десятков мегагерц.

  3. Огромные электромагнитные помехи, в том числе и собственному тракту.

  4. Генерируемый в больших количествах озон при длительном использовании громкоговорителя раздражает слизистую оболочку глаз и легкие.

Акустические оформления громкоговорителей

Задачи, которые решает акустическое оформление громкоговорителей, следующие:

  1. устранить или ослабить акустическое короткое замыкание (АКЗ) - непосредственное взаимодействие областей сжатия и разрежения, образующихся по обеим сторонам подвижной системы;

  2. с использованием присоединенного к акустическому оформлению или заключенного в него воздуха создать резонансные свойства системы головка-оформление, которые обеспечивают наилучшую форму АЧХ или передаточной характеристики акустической системы в целом;

  3. акустически трансформировать излучаемые подвижной системой головки колебания для наиболее эффективного излучения в пространство (это действительно главным образом для рупорного оформления);

  4. сформировать заданную направленность излучения акустической системы.

На практике используют следующие разновидности акустических оформлений

экран,

закрытый ящик,

фазоинвертор,

оформление с пассивным излучателем

полосовой резонатор.

Экран

Экран представляет собой недеформируемую звуковой волной панель, в которой установлена головка громкоговорителя. Цель экрана - устранить акустическое короткое замыкание путем экранирования тылового излучения. Рассмотрим две разновидности экранов: бесконечный экран и экран конечных размеров.

Бесконечный экран разделяет пространство на два полупространства, в одном из которых находится слушатель. Тыловое излучение при этом экранируется совершенно. Это не столь абстрактное оформление, как кажется на первый взгляд: врезанная в стену головка громкоговорителя работает примерно в этом оформлении.

Экран конечных размеров

Если экран имеет конечные размеры, то в помещение прослушивания проникает излучение не только фронтальной, но и тыловой стороны подвижной системы. Это определяет следующие специфические особенности данного типа оформления:

1. Акустическое короткое замыкание между фронтальной и тыльной стороной диффузора не подавляется, а смещается в более низкочастотную область. Важно отметить, что в режиме АКЗ, хотя продольная волна почти не возникает, колебания среды по-прежнему есть.

  1. Громкоговоритель в целом представляет собой диполь.

  2. Проникающее в зону прослушивания задержанное излучение создает дополнительную реверберацию. Т.е. экран конечных размеров представляет собой реверберационный фильтр, который при определенных условиях может облагораживать воспроизводимую фонограмму.

В связи с соизмеримостью размеров экрана с длиной волны, АЧХ имеет гораздо более сложный вид, чем, например, у микрофонов градиента давления, где роль АКЗ сводится к формированию монотонно нарастающей со скоростью 6 дБ/окт. АЧХ.

На АЧХ можно выделить три характерные зоны:

  1. область полного АКЗ;

  2. область периодического АКЗ;

  3. область отсутствия дифракции.

Для уменьшения интерференционных провалов АЧХ применяют асимметричную установку ГГ в экране. Это несколько уменьшает отдачу на пиках, зато увеличивает на провалах за счет того, что условия интерференционного нуля оказываются на разных частотах при огибании экрана с разных сторон. Для эффективного излучения НЧ размеры экрана должны быть большими - для 40 Гц: λ/2=4м. Поэтому обычно экран сворачивают в виде ящика без задней стенки (или с акустически прозрачной задней стенкой). Таково большинство акустических систем, встроенных в аудио- и видеоаппаратуру.

Закрытый ящик

По характеристикам к бесконечному экрану гораздо ближе закрытый ящик (ЗЯ), чем экран конечных размеров: излучение тыльной стороны подвижной системы также не достигает слушателя. Для выполнения этого условия ящик должен быть герметичным и стенки ящика не должны вибрировать под действием внутреннего давления. Для уменьшения вибраций стенок толщина их выбирается значительной, а также применяются стяжки или распорки. Стравливание давления из ящика через щели или через подвижную систему громкоговорителя может приводить к тому, что система, внешне оставаясь закрытым ящиком, демонстрирует свойства, характерные для систем, использующих тыловое излучение. Акустически глухой ЗЯ - сложная конструкция.

С точки зрения АЧХ, отличие ЗЯ от бесконечного экрана состоит в том, что к подвижной системе присоединятся гибкость и потери в воздухе внутри ящика. Это используется в АС среднего качества для имитации хорошей отдачи на НЧ. Понизить добротность и резонансную частоту можно, если повысить собственную гибкость подвижной системы. Такие головки с очень гибкой подвижной системой, низкими собственными резонансной частотой и добротностью называются головками с акустическим подвесом. Гибкий подвес, однако, создает риск перекоса подвижной системы, заставляет увеличивать ширину магнитного зазора, что отрицательно сказывается на КПД.

Еще одно отличие ЗЯ от бесконечного экрана состоит в том, что фронтальное излучение на низких частотах распространяется на все пространство, а не на полупространство. Это означает снижение звукового давления на 6 дБ. А на высоких частотах, когда фронтальные размеры АС больше длины волны, по-прежнему озвучивается полупространство. Поэтому АЧХ ЗЯ приобретает подъем на 6 дБ от НЧ к ВЧ. Он плавный, если корпус обтекаемый, и изрезанный, если корпус имеет форму параллелепипеда.

Фазоинвертор

Идея фазоинверсного оформления состоит в том, чтобы использовать излучение тыловой стороны подвижной системы, проинвертировав его механическим фазо-инвертором, состоящим из гибкости воздуха в ящике cv и массы воздуха в трубе тт.

Фазоинвертор представляет собой ящик, в котором расположен громкоговоритель, с дополнительным отверстием в передней стенке для включения излучения тыльной стороны диффузора в общее излучение. При очень низких частотах фазовый набег между излучениями фронтальной стороны диффузора и отверстия близок к нулю, поэтому КПД устройства на этих частотах существенно ниже, чем у громкоговорителя в закрытом ящике. С повышением частоты фазовый сдвиг растет и достигает величины , т.е. излучения становятся синфазными, что увеличивает суммарное звуковое давление. При дальнейшем повышении частоты сказывается инерционность воздуха в канале фазоинвертора, так что отверстие как бы «закупоривается» и конструкция ведет себя как закрытый ящик.

Оформление с пассивным излучателем

Отличие акустического оформления с пассивным излучателем от фазоинвертора состоит в том, что в качестве инерционного элемента используется не масса воздуха в трубе, а масса подвижной системы тпи еще одного излучателя. Этот излучатель не используется для электромеханического преобразования и поэтому называется пассивным.

Полосовой резонатор

О
бщее отличие полосового резонатора от предыдущих разновидностей акустического оформления состоит в том, что АЧХ громкоговорителя ограничена не только снизу, но и сверху. Достигается это благодаря тому, что ГГ излучает не в среду, а в промежуточный бокс, в котором имеется отверстие или отверстия, излучающие наружу. Ясно, что такое оформление применяется только для воспроизведения части звукового диапазона ниже некоторой частоты. Обычно полосовой резонатор применяется для воспроизведения самых низких частот звукового диапазона.

Существуют также акустические оформления, функциональные свойства которых основаны на том, что масса и гибкость воздуха распределены по объему оформления, линейные размеры которого сопоставимы с длиной волны. К таким оформлениям относятся рупорные, оформления типа «лабиринт» и «трансмиссионная линия»..

Акустические системы на основе нескольких излучателей

Реализация акустических систем с заданными характеристиками оказывается возможной на основе нескольких излучателей. По частотным характеристикам излучателей возможны самые различные их сочетания. Наибольший же практический интерес представляет объединение излучателей, различающихся диапазоном рабочих частот - многополосные АС.

Практически все современные АС представляют собой многополосные акустические системы. Сконструировать один излучатель, который бы одинаково хорошо работал в диапазоне десяти октав, чрезвычайно сложно и дорого. Это объясняется тем, что.

1. Для формирования достаточного давления на низких частотах в громкоговорителях с умеренной площадью излучения необходима большая амплитуда смещения диффузора (до 10 мм и более). Это приводит к тому, что чувствительность головки к высокочастотному сигналу изменяется при смещении подвижной системы низкочастотным сигналом, т.е. возникают интермодуляционные искажения.

2. Для того чтобы уменьшить амплитуду смещения диффузора, увеличивают площадь подвижной части. С увеличением площади диффузора возрастает его деформация на высоких частотах. Это приводит к росту как нелинейных искажений, так и уменьшению эффективной излучающей поверхности, т.е. к линейным искажениям.

3. Катушка низкочастотного громкоговорителя, будучи намотана толстым проводом (для того чтобы выдержать большую мощность), имеет большую длину провода и, следовательно, большую индуктивность. В результате, если громкоговоритель питается от источника напряжения, образуется LR - фильтр низких частот, ограничивающий воспроизводимый диапазон сверху. При питании от источника тока этого не происходит, но на высоких частотах источник тока оказывается практически на холостом ходу.

Многополосное построение АС является способом борьбы с перечисленными проблемами и сводится к раздельному воспроизведению отдельных частотных полос сигнала. Успешное решение этой задачи во многом определяется оптимальным разбиением сигнала на полосы с учетом последующей реализации с при разумной сложности фильтров, предполагаемых к использованию головок громкоговорителей. При этом оказывается возможным построение как активных, так и пассивных акустических систем.

Пассивные акустические системы

При пассивном построении многополосной АС широкополосный усилитель питает несколько головок громкоговорителей, включенных через пассивные LC-разделительные фильтры.

Достоинство -: становится возможным фрактальное деление системы (деление на относительно независимые части): на источник сигнала, усилитель и акустическую систему. Несмотря на то, что технически пассивное построение имеет практически только недостатки, с системной точки зрения, фрактальная разделимость обеспечивает возможность поступательного усовершенствования системы путем совершенствования каждого блока «узкими специалистами», адаптируемость системы к требованиям конкретного потребителя.

Недостатки:

  1. Головка громкоговорителя - нагрузка далеко не линейная, и, когда реактивное устройство - пассивный фильтр - имеет нелинейную нагрузку, сочетание реактивных и нелинейных эффектов значительно усложняет характер нелинейности.

  2. Значительная мощность и требование малых ее потерь делают сложным изготовление одновременно качественного и недорогого фильтра. В частности, в катушках иногда применяют сердечники, что снижает линейность фильтра.

  3. Частотная неравномерность входного сопротивления АС может быть значительной, особенно на частотах раздела полос, что может отрицательно сказаться на работе усилителя.

Для дополнительного снижения интермодуляционных искажений, иногда применяют раздельные провода для передачи сигналов к головкам. Четырехпроводное подключение АС к усилителю. Можно пойти еще дальше и применить раздельные усилители для разных частотных каналов, тогда придем к активному построению АС.

Активные акустические системы

В случае активного построения АС сигнал от источника подается на несколько усилителей, к каждому из которых подключена головка громкоговорителя.

Достоинства такого подхода

1. Каждый усилитель усиливает только часть сигнала, что уменьшает интермодуляционные и гармонические искажения в усилителе. Особенно это значимо для ВЧ-канала, поскольку общая мощность спектральных компонент в этом диапазоне в несколько раз ниже общей мощности сигнала.

2. Те искажения, которые в усилителе все-таки образуются, но не входят в рабочую полосу частот головки данного канала, будут дополнительно подавлены.

3. Открываются возможности дополнительной оптимизации системы усилитель - головка.

Недостаток - активная система с трудом поддается разделению на части для раздельного производства и реализации компонентов. Поэтому активное построение акустических систем нашло применение в основном в профессиональной технике, в бескомпромиссных Hi-End-системах и в автомобильном аудио, где продаваемые компоненты все равно не являются потребительски законченными устройствами.

Разделительные фильтры (кроссоверы)

Необходимой составляющей многополосной АС является фильтр, разделяющий полную частотную полосу сигнала на совокупность сопряженных частотных полос. Такой фильтр называется либо разделительным, либо разветвляющим, либо кроссовером.

Особенности отношений характеристик фильтров, составляющих кроссовер, и должны являться главным предметом внимания при проектировании кроссоверов.

При строгом подходе синтез кроссовера должен выполняться с учетом собственных АЧХ и ФЧХ головок, однако для оценки влияния характеристик собственно кроссовера обычно рассматривают его работу на чисто активную нагрузку.

1

Смотреть полностью


Скачать документ

Похожие документы:

  1. 1. Проводимость (проводник, полупроводник, изолятор, ток, напряжение, сопротивление, единицы ампер, вольт, ом; Закон Ома, электрическая мощность, единица ватт)

    Закон
    1. Проводимость (проводник, полупроводник, изолятор, ток, напряжение, сопротивление, единицы ампер, вольт, ом; Закон Ома, электрическая мощность, единица ватт).
  2. Количественно по состоянию на март 2009г по данным магатэ в мире эксплуатируются 439 атомных энергоблоков с общей электрической мощностью 372 гвт

    Документ
    К началу 21-го века мировая и отечественная атомная энергетика оправилась от «чернобыльского синдрома» и переживает так называемый «ядерный ренессанс» - период повышенного интереса и ускоренного развития, стимулируемого рядом внешних
  3. Правила оптового рынка электрической энергии (мощности) I. Общие положения

    Документ
    1. Настоящие Правила устанавливают правовые основы функционирования оптового рынка электрической энергии (мощности) (далее - оптовый рынок) в субъектах Российской Федерации, территории которых объединены в ценовые зоны оптового рынка,
  4. Правила пользования электрической и тепловой энергией (изданы на основании Постановления Совета Министров СССР от 29 июля 1967 г. N 726)

    Правила пользования
    В соответствии с Постановлением Совета Министров СССР от 29 июля 1967 г. N 726 и в связи с введением в действие с 1 января 1982 года нового Прейскуранта N 09-01 "Тарифы на электрическую и тепловую энергию,
  5. Постановление Правительства Российской Федерации от 2 апреля 2002 г. N 226 "О ценообразовании в отношении электрической и тепловой энергии" Собрание закон (1)

    Закон
    2. Федеральным органам исполнительной власти разработать и утвердить методические указания и другие документы, предусмотренные Основами ценообразования в отношении электрической и тепловой энергии в Российской Федерации и Правилами

Другие похожие документы..