Типы акустических систем. Типы акустических систем: конструкции, обзор, характеристики Акустические системы с широкой диаграммой направленности

Эта статья появилась в результате переписки с одним из постоянных авторов американского журнала «STEREOFILE». Она не является рекомендацией к приобретению тех или иных акустических систем. Читатель найдет здесь интересные соображения о передаче звукового пространства современными акустическими системами.

Должность аудио обозревателя журнала «STEREOFILE» связана с прослушиванием почти всех акустических систем (АС), появляющихся на рынке. Немало времени мне приходилось заниматься и профессиональной записью музыки, как в качестве инженера, так и музыканта. Все это привело меня к мнению, что одним из важнейших свойств высококачественных АС является правильная передача звукового пространства, созданного при записи. Однако есть популярные модели АС, которые однозначно этому требованию не удовлетворяют - при этом намеренно.

Звуковое пространство - это пространство, создаваемое нашим воображением позади и между двумя АС, работающими в стерео. Иногда также применяется термин «звуковая сцена». При записи музыки немало труда уделяется созданию её звукового пространства, такого, чтобы при воспроизведении записи дома на бытовой стереосистеме музыканты «расположились» в определенном порядке. Ударная установка может «парить» где-то посередине между АС, гитарист чуть правее, фортепиано чуть слева, а певцы расставлены по сцене так, чтобы каждый занимал свою позицию. И действительно, если стереосистема правильно воспроизводит звуковое пространство, то закрыв глаза, можно «увидеть» каждого исполнителя.

Передача звукового пространства непосредственно связана с характеристикой направленности АС. Традиционно акустические системы с громкоговорителями на передней панели излучают звук только в одном направлении - к слушателю. Пара таких систем всю свою акустическую мощность отправляет к слушателю, не внося в звуковое пространство искажений, связанных с отражениями от стен, мебели около АС и т.п. Прослушивание в таких условиях позволяет передать запись так, как этого хотели звукорежиссер и музыканты.

Тем не менее, существуют АС, намеренно разработанные для искажения звукового пространства. Громкоговорители у таких АС располагаются не только на передней панели, а еще и сбоку и сзади. Такая АС излучает звук сразу во всех направлениях. Почти весь звук, доходящий до ушей слушателя, претерпевает отражения от стен. В оправдание такого воспроизведения звука приводится ошибочное утверждение, что поскольку реальные музыкальные инструменты излучают звук во всех направлениях, то для «естественного» звучания акустической системе нужно делать то же самое. Это абсолютно неверно, поскольку в то время как реальные инструменты излучают звук во всех направлениях, микрофоны, этот звук принимающие, «слышат» его только с одного направления. Чтобы передать звучание со всех направлений, понадобится полностью окружить инструмент бесконечным числом микрофонов. Сделать это невозможно. И не нужно - дело в том, что микрофон, направленный на музыкальный инструмент, воспринимает все его звучание, потому что мембрана микрофона воспринимает и прямой звук, и отражения, созданные инструментом в концертном зале (реверберация). Точно также слышит музыку человеческое ухо! В случае с АС прямого излучения слушатель воспринимает истинное соотношение прямого и отраженного звука - то, которое было во время записи. АС, излучающая звук во все стороны, меняет это соотношение. При этом запись уже нельзя услышать такой, какой она задумывалась - вы слышите отражения исходного отраженного звука от стен вашей комнаты. Реверберация реверберации. Согласитесь, что это полностью неестественная, искусственная обработка звука.

Акустические системы, излучающие звук во всех направлениях, искаженно передают звуковое пространство: звуковые образы инструментов неопределенны, а звуковая картинка не имеет ничего общего с оригиналом. Мне приходилось слушать собственные записи на таких АС и я был неприятно поражен, насколько искаженно они звучат по сравнению с АС прямого излучения. На массовом потребительском рынке весьма популярны американские АС, использующие многостороннюю направленность, но единственная их популярности в том, что многим людям не хватает знаний и опыта в таких вопросах как звуковое пространство, правильность воспроизведения и реальное звучание записи. Неосведомленным людям искажения, вносимые такими АС, кажутся привлекательными, потому что они «расширяют» звучание как при электронной обработке звука. Так как этой обработке подвергается каждая запись, воспроизводимая через АС, она становится утомительной и раздражает. Искажения звукового поля в таких АС часто заставляют поскорее продать свое приобретение и купить хорошие АС прямого излучения, которые годами будут верой и правдой приносить прослушивание музыки.

Мне хочется надеется, что я помог лучше понять связь правильности передачи звукового поля с конструкцией АС. Счастье аудиофила заключается в информативности - желаю удачных покупок!

В последние годы российский рынок заполнен зарубежной звуковоспроизводящей аппаратурой. Однако продукция ведущих фирм, обеспечивающая, действительно, высокое качество звучания, стоит весьма дорого, а относительно дешёвые и доступные россиянам импортные мини и мидиакустические системы звучат весьма посредственно и не могут удовлетворить запросы любителей хорошего звучания.

Что касается отечественной промышленности, то она пока не радует слушателей новыми разработками головок громкоговорителей и акустических систем (АС) высокого класса. Авторы публикуемой статьи предлагают нашим читателям самостоятельно изготовить двухполосную АС, реализующую новый подход к получению пространственного звучания. Аналогичной идеологии в конструировании АС придерживается в некоторых своих разработках, например, американская фирма «Боус».

Прежде чем приступить к описанию конкретной АС, познакомимся с некоторыми аспектами проблем их конструирования. Прежде всего, рассмотрим характеристики направленности излучения звука обычной АС, головки которой смонтированы на её передней панели. В области низких частот звукового диапазона любая АС не имеет выраженной характеристики направленности, поскольку длина звуковых волн превышает геометрические размеры корпуса, и они его огибают. По этой причине звуковое давление на низких частотах будет примерно одинаковым в любой точке вокруг АС. С повышением частоты звук излучается преимущественно в переднее полупространство, причём на высших частотах звукового диапазона характеристика направленности настолько сужается, что для их восприятия слушатель должен располагаться в пределах относительного небольшого телесного угла напротив высокочастотной головки громкоговорителя. Помимо этого, на частотах разделения многополосных АС характеристика их направленности претерпевает и более сложную деформацию.

Чтобы понять, почему нужна широкая характеристика направленности АС, зададимся вопросом о форме этой характеристики реальных музыкальных инструментов. В доступной технической литературе таких данных почти нет. Очевидно, бессмысленно говорить о формировании характеристики направленности звукоизлучения целого оркестра, поскольку звук излучается в этом случае практически во все стороны. Исходя из этих соображений, вполне обоснованными выглядят попытки разработчиков создать акустическую систему, имеющую круговую характеристику направленности в горизонтальной плоскости для всего рабочего диапазона частот.

Рис.1. Внешний вид акустической системы

Один из возможных и наиболее простых вариантов конструкции такой АС и предлагается для самостоятельного изготовления. Она состоит из низко-среднечастотной головки 25ГДН-3-4 и высокочастотной 10ГДВ-2-16. Обе головки смонтированы в верхней части корпуса АС таким образом, что их рабочие оси расположены вертикально. Над головками вершинами вниз установлены звукорассеивающие элементы, изготовленные в виде большого и малого конусов. Эти конусы отражают звуковые волны во все стороны в горизонтальной плоскости, причём имеет место и огибание ими конусов. Низко-среднечастотная головка смонтирована в отверстии верхней стенки корпуса АС, а высокочастотная — в специальном углублении основания большого конуса. В дне корпуса просверлено 16 фазоинверторных отверстий диаметром 11 мм, которые заклеены изнутри одним слоем марли (рис. 2). Фазоинвертор настраивают путём подбора высоты резиновых ножек, прикреплённых по углам дна корпуса с его наружной стороны. Рекомендуемая высота ножек- 6 мм. Туннель фазоинвертора образуется при установке АС на любую гладкую и твёрдую поверхность (стол, полку и т. д.). Для нормальной работы фазоинвертора площадь опорной поверхности должна быть как минимум равной конфигурации дна АС. Рабочее положение АС — только вертикальное; устанавливать её желательно на расстоянии 30…50 см от ближайшей стены, но никак не в нишах мебельных стенок. Корпус АС герметичен. Он склеен из заготовок ДСП толщиной 16 мм. Боковые стенки изнутри покрыты простёганными ватными матами толщиной 40 мм. Габариты корпуса — 210x210x340 мм. Снаружи он оклеен плёнкой ПВХ, но можно и просто его покрасить в желаемый цвет.

Рис.2. Чертеж дна корпуса

Поскольку большой звукорассеивающий конус играет в АС роль акустического фильтра нижних частот, то оказалось возможным упростить разделительный фильтр, выполнив его всего из двух элементов (рис. 3). Частота раздела полос фильтра — 5 кГц. Конденсатор лучше всего применить неполярный, тонкоплёночный, например К73-11. Этот конденсатор имеет цилиндрическую форму, и его корпус удобно использовать в качестве каркаса для намотки катушки индуктивности. Для этого из текстолита следует изготовить две щёчки размерами 22×22 мм с отверстием в центре, диаметр которого равен диаметру корпуса конденсатора. Щёчки нужно приклеить к корпусу конденсатора на расстоянии 18 мм одна от другой, а между ними намотать катушку фильтра. Её обмотка должна содержать 158 витков провода ПЭВ-2 0,5. При этом, как показали специально проведённые измерения, электромагнитное поле катушки практически не влияет на поле конденсатора. Такой фильтр удобно закрепить на фланце постоянного магнита низко-среднечастотной головки с помощью резиновых колец и крючков из скрепок, зацепленных за перемычки окон диффузородержателя. Во избежание дребезга на фланец магнита необходимо предварительно наклеить кусок толстой ткани — синтепона, войлока и т. п.

Рис.3. Схема фильтра акустической системы

Наиболее сложны в изготовлении конусы. В домашних условиях их можно выполнить из цельного куска дерева, выточив, например, в соответствии с рис. 4 и рис. 5 на токарном станке. Однако доступнее использовать для изготовления конусов листовой материал (фанеру, доски, ДСП). Для этого из него лобзиком вырезают необходимое количество кругов и колец-заготовок, подлежащих последующему склеиванию друг с другом клеем ПВА. Каждую заготовку необходимо предварительно обработать напильником с торцов, сняв определённую толщину материала для сопряжения заготовок по высоте. Чтобы не ошибиться, лучше всего перенести очертания конусов с рис. 4 и рис. 5 на миллиметровую бумагу в натуральную величину, а затем, в зависимости от толщины листового материала, определить толщину удаляемых кромок. При обработке заготовок следует оставлять припуск для последующей доводки склеенного конуса. Склеивать его начинают с вершины, которую для фиксации устанавливают, например, в углублении доски. Заготовки смазывают клеем и скрепляют гвоздями, шляпки которых необходимо притолить. Причём в последовательно склеиваемых заготовках отверстия для гвоздей лучше предварительно просверлить. Поскольку в основании большого конуса устанавливается высокочастотная головка, то часть заготовок конуса необходимо изготовлять в виде колец.

Рис.4. Чертеж большого конуса

Рис.5. Чертеж малого конуса

Последующую обработку и доводку конуса проводят в тисках. Для этого к основанию конуса шурупами прикрепляют технологическую доску, в центре которой закреплён кубик. Кубик зажимают в тисках и начинают обработку конуса. Вначале её ведут полукруглым напильником (до получения требуемой кривизны образующей), а затем шлифуют поверхность конуса наждачной бумагой. После такой обработки поверхность конуса шпатлюют и ещё раз обрабатывают мелким напильником и шлифуют мелкой наждачной бумагой. В заключение конус два-три раза красят нитроэмалью.

При самостоятельном изготовлении АС предлагается использовать более простой, чем показанный на фото, способ крепления конусов. Большой конус устанавливают над низко-среднечастотной головкой с помощью специально изготовленных для этой цели четырёх шпилек из латуни или дюралюминия (рис. 6) и четырёх металлических ушек (рис. 7). Последние следует прикрепить к основанию большого конуса шурупами по взаимоперпендикулярным радиусам. Шпильки, в соответствии с положением ушек, закрепляют одной стороной в сквозных отверстиях, просверленных в верхней стенке корпуса, причём две из них используют в качестве токопроводящих шин для подведения сигнала от фильтра к высокочастотной головке. Подводить сигнал к этим шпилькам следует с помощью латунных лепестков, подложенных под гайки. К этим лепесткам и припаивают провода.

Из высшего ценового сегмента уже давно перестали быть простыми колонками, эдакими коробками, издающими звук с помощью пары динамиков. Инженеры из года в год ухищряются, превратив индустрию и каждое устройство в небольшое произведение искусства, которое не каждому дано повторить. Появились новые типы динамиков, новые способы вывода звука, изменение мощности и амплитуды, и так далее и тому подобное. Со временем появилась целая многокомпонентная структура, описывающая разные типы акустических систем. Собственно, об этом и пойдет речь в нижеизложенном материале.

Категоризация акустических систем

Итак, для начала разберемся в базовых аспектах в том, какие бывают а уже потом выясним, что они собой представляют и чем друг от друга отличаются.

Существуют следующие типы акустических систем:

• Полочные и напольные системы. Из названия понятно, что отличаются они по принципу установки в помещении и по своему размеру.
• Также акустические системы отличаются по количеству полос (по сути, количеству динамиков) - от одной до семи.
• Существуют динамические, электростатические, планарные и другие акустические системы, в зависимости от конструкции динамиков, которая может вовсе не попадать ни под одну категорию (все зависит от фантазии инженеров).
• В зависимости от акустического оформления корпусов, колонки делятся на системы с открытым корпусом, закрытым корпусом, с фазоинверторным оформлением, с акустическим лабиринтом и так далее.
• Также колонки делятся на пассивные и активные , в зависимости от наличия в них встроенного усилителя звука.

Однополосные и многополосные акустические системы

Однополосные оснащаются одним-единственным излучателем, а так как настроить один излучатель на хорошее воспроизведение всех частот сразу невозможно, производителям приходится использовать сразу несколько по-разному настроенных излучателей.

Существуют также 2-х полосные акустические системы (также 3-х, 4-х). В таких системах устанавливаются два излучателя. Один берет на себя воспроизведение низких и средних частот, а второй воспроизводит только высокие частоты. За счет такого подхода в 2-х полосных акустических системах достигается идеальный баланс звучания, невозможный при использовании единственного динамика (даже если он очень хороший). Звучания таких колонок обычно достаточно для людей неискушенных, не владеющих более продвинутыми системами, но есть и более приемлемые варианты, например, 3-полосные системы. 3-х полосные акустические системы делят сразу все три типа частот между собой. Один излучатель занимается воспроизведением низких частот, второй - высоких, третий - средних. 3-х полосные акустические системы встречаются чаще остальных, так как именно благодаря такой конструкции достигается высочайшее качество воспроизведения слышимых человеческим ухом частот.

Пассивные и активные акустические системы

Активные и пассивные системы различаются наличием интегрированного усилителя мощности в конструкции самих колонок.

Активные колонки имеют такой усилитель, поэтому их можно напрямую подключить к предварительному усилителю с помощью межблочного кабеля, а каждая отдельная колонка питается от электросети без подключения дополнительных источников питания.

Пассивные колонки хоть и сложнее в устройстве, все же встречаются гораздо чаще и находятся в приоритете у пользователей, которые ценят качественный звук. Такие колонки подключаются к усилителю мощности через специализированный разделительный фильтр. Подключение происходит с помощью акустических проводов. Многие производители (фирмы) акустических систем предпочитают производство именно таких колонок, так именно они приносят большую прибыль и позволяют инженерам воплотить в жизнь свои идеалы звучания. Помимо определенных сложностей в установке, есть и проблема финансовая, ведь хороший усилитель и акустические кабели стоят немалых денег, а без них такую систему не «заведешь».

Рупорные акустические системы

Это особый тип акустических систем. Их особенностью является имеющаяся над излучателем рупорная установка. Преимущество таких колонок заключается в высокой чувствительности динамиков. Это делает их идеальным дополнением для недорогих и маломощных ламповых усилителей, неспособных дать их обладателю достаточную громкость. Такие акустические системы требуют грамотного размещения в помещении, где планируется их эксплуатация, но если потратить на это какое-то время, то можно достичь наиболее реалистичной и насыщенной стереокартины.

Электростатические акустические системы

Такие системы отличаются своей необычной конструкцией. Вместо классических динамиков используется пленка из токопроводящего материала, которая вытягивается по вертикали вдоль колонки. Принцип работы следующий: на пленку подается звуковой сигнал на определенной частоте, а на расположенные по бокам проводники подается постоянное напряжение (в некоторых случаях наблюдается обратный порядок, когда постоянное напряжение подается на токопроводящую пленку). Между пленкой и проводниками создается электростатическое поле, на которое накладывается переменное поле. Из-за этого возникают колебания пленки, которая и воспроизводит звуковое излучение. Звучание таких акустических систем отличается высокой детализацией, ясной передачей каждой отдельной частоты. Музыка кажется более свободной и открытой. Из минусов стоит выделить недостаточное количество басов, которые не могут передать всей глубины, особенно когда речь идет о таких жанрах, как хип-хоп или трэп.

Система центрального канала

В качестве конечно) используются комплекты из 5 колонок и одного сабвуфера. Это классическая система, зарекомендовавшая себя и использующая большинством любителей хорошего звука. Ключевым элементом этой системы является центральная колонка, которая воспроизводит диалоги в кино и основные музыкальные фрагменты. Такая колонка устанавливается прямо по центру. Некоторые пользователи используют ее в акустических системах для компьютера, так как смотря кино именно на нем.

Фронтальная и тыловая акустические системы

Фронтальная система представляет собой классическую пару колонок, создающих эффект стерео. Такие колонки нередко формируют полноценную (так как обычно больше ничего и не нужно). Если речь идет о домашнем кинотеатре, то между двумя фронтальными колонками (или же под телевизором) ютится колонка центрального канала. Опираясь на фронтальную пару колонок, нужно собирать остатки акустической системы 5.1, так как именно они воспроизводят основной массив звуков.

Тыловая часть системы - это две небольшие колонки, расположенные позади зрителей. Их использование необязательно, но они всегда идут в комплекте с акустическими системами 5.1 для достижения максимального погружения в атмосферу воспроизводимых фильмов. Если звуковая дорожка фильма поддерживает технологию звукового окружения, то некоторые события и сцены в фильме будут воспроизводить звук только на тыловых колонках (такое встречается, когда кто-то крадется позади героя фильма). При использовании акустических стоек можно внедрить эту систему и в компьютерную акустику.

Сабвуфер

Это отдельная колонка, которая способна воспроизводить только низкие частоты и бас. Часто используется вместе с парными колонками и дополняет акустическую систему для компьютера, так как фронтальные колонки не могут справиться со всем диапазоном звучания. Сабвуфер привносит баланс в акустическую систему. Визуально сабвуфер выглядит так же, как и обычная колонка, но в нем устанавливается один массивный излучатель в открытом виде. Сабвуфер устанавливается в угол комнаты или под компьютерным столом. Из-за этого, кстати, нередко страдают соседи.

Полочные и напольные акустические системы

Такие акустические системы еще можно назвать настольными и напольными (или компьютерными и для домашних кинотеатров). Полочные колонки занимают гораздо меньше пространства и при этом гораздо меньше весят, а значит, их можно установить повыше. Например, в случае если вы собираете аудиосистему для дома, которая будет подключаться к телевизору (для создания глубины звучания), можно поставить полочные колонки даже на шкаф (это обеспечивает максимальный охват площади). Для выведения максимального потенциала из таких компактных колонок их обычно устанавливают на специальные акустические стойки.

Напольные системы куда лучше подходят для больших помещений (их часто называют акустическими системами для кинотеатров). В них устанавливаются более крупные динамики, а их количество варьируется от одного до семи. Установка таких колонок в маленьком помещении может спровоцировать чрезмерное усиление низких частот и сильно заметный гул. Напольные системы гораздо дороже полочных и требуют от конструкторов намного большего внимания в расчетах при их создании.

Акустические системы с фазоинвертором

Фазоинвертор - это отверстие в корпусе, от которого идет труба во внутреннюю часть колонки. Благодаря такой конструкции акустика может воспроизводить низкие частоты, недоступные для стандартных колонок без фазоинвертора. При конструировании колонки инженеру необходимо выбрать диаметр и длину трубы в соответствии с частотой, которую должен воспроизводить будущий В момент, когда происходит воспроизведение музыки, объем воздуха в трубе фазоинвертора резонирует и усиливает воспроизведение той частоты, на которую изначально был настроен диаметр трубы. Размер самой колонки не имеет значения, фазоинвертор встраивается как в огромные аудиосистемы для дома, так и в компактные наушники. Труба для вывода воздуха может выходить в любую часть колонки или наушника, но от этого будет зависеть положение колонки в помещении (труба не должна быть заслонена чем-либо).

Акустические системы с акустическим лабиринтом

По своей сути акустический лабиринт - это тот же фазоинвертор. Разница заключается в том, что труба, уходящая в корпус, имеет множество изгибов, и длина ее гораздо больше. Задача трубы та же - усиление громкости и насыщенности звучания низких частот. К сожалению, такие колонки гораздо дороже вариантов с обычным фазоинвертором, так как их производство занимает намного больше времени и при этом требует от инженеров особой точности, да и материалы стоят дороже. Так же как и в случае с фазоинверторными колонками, размер выводящего звук устройства может быть любым, но в наушниках вы такой системы не встретите.

Закрытые и открытые акустические системы

Некоторые фирмы акустических систем производят колонки открытого типа. Акустическое оформление таких колонок отличается отсутствием задней стенки. Благодаря этому у диффузоров появляется некоторая свобода. Такой подход обеспечивает звучание близкое к электростатическим audio-акустическим системам.

Существуют и закрытые акустические системы. Собственно, отличаются они именно тем, что в их корпусах нет никаких отверстий. Такой подход делает звучание более "упругим". Это происходит из-за того, что воздуху некуда выходить, движение диффузора становится скованным. Чтобы избежать негативного эффекта от подобной конструкции, колонки такого типа делают очень большими, чтобы у диффузора появилось больше свободы для движения. Большим плюсом подобных систем является отсутствие каких-либо излишних шумов, треска и иже с ними.

Акустические системы с пассивным излучателем

Пассивный излучатель выполняет ту же задачу, что и фазоинвертор, к примеру. Он необходим для того, чтобы обеспечить нормальное звучание низких частот. В подобных колонках нет никаких труб. В колонке просто проделывается отверстие, а внутрь устанавливается пассивный динамик (динамик без магнитной системы, построенный на базе одного диффузора, подвеса и рамы). Преимуществом пассивного излучателя является возможность воспроизводить бас и любые, даже самые низкие частоты. Такие типы акустических систем очень ценны и требуют недюжинного мастерства инженеров.

Прежде всего, давайте разберемся с терминами, поскольку понятия «громкоговоритель», «колонка», «динамик», «акустическая система» часто используют наугад, создавая изрядную путаницу.

Громкоговоритель – это устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтры, регуляторы и т.д.).

В отечественной технической литературе сложилась ошибочная практика, в соответствии с которой термин «громкоговоритель» (ГГ) применяется в основном для одиночного громкоговорителя (в зарубежных каталогах он определяется как loudspeaker units или loudspeaker drive element, или driver). В соответствии с требованиями ГОСТ 16122-87 одиночный громкоговоритель должен обозначаться как головка громкоговорителя .

К набору громкоговорителей классов Hi-Fi и Hi-End часто применяют термин акустическая система (AC) (acoustical system или loudspeaker system). Акустическая система включает в себя акустические колонки .

В зависимости от назначения АС существенно различаются по параметрам, конструктивному исполнению и дизайну. Основные виды акустических систем, представленных на современном рынке, условно можно разделить на несколько категорий в зависимости от области их применения:

• АС для домашнего применения, которые в свою очередь можно подразделить на системы:
• массовые;
• категории Hi-Fi и High-End;
• АС для домашних аудио видео комплексов типа «Домашний кинотеатр» (Home-Theatre);
• для современных компьютерных систем (AC Multi-Media) и др.;
• АС для систем озвучивания и звукоусиления, в том числе для конференц-систем и систем перевода речей (к ним, в частности, относятся потолочные акустические системы);
• концертно-театральные АС;
• студийные АС;
• автомобильные (и вообще транспортные) АС;
• АС для индивидуального прослушивания (головные стерео телефоны).

Устройство АС

АС могут быть однополосными и многополосными . Однополосные АС используются, как правило, в массовой аппаратуре бюджетного сектора. В высококачественных АС (рис. 1) используется многополосный принцип построения, поскольку применение одной широкополосной головки громкоговорителя не позволяет обеспечить высокое качество звучания.

АС состоит, как правило, из:

• головок громкоговорителей , каждая из которых (или несколько одновременно) работают в своем частотном диапазоне;
• корпуса ;
• фильтрующе-корректирующих цепей , а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т.д.);
• звуковых кабелей и входных клемм;
• усилителей для активных акустических систем и кроссоверов (активных фильтров).

Рис. 1. Акустическая система Defender

Головки громкоговорителей

Головки громкоговорителей классифицируются по принципу действия, по способу излучения, по полосе передаваемых частот, по области применения и т.д.

По принципу действия , т.е. по способу преобразования электрической энергии в акустическую, громкоговорители делят на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пьезопленочные), плазменные и др.

Подавляющее большинство головок громкоговорителей электродинамические («динамические» или просто «динамики»). Их принцип действия основан на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током (рис. 2).

Рис. 2. Электродинамический катушечный громкоговоритель

Головка электродинамического громкоговорителя состоит из подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя (1).

Подвижная система включает в себя подвес (2), диафрагму (3), центрирующую шайбу (4), пылезащитный колпачок (5), звуковую катушку (6) и гибкие выводы.

При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи, на нее будет действовать механическая сила. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Конструкция электродинамического громкоговорителя очень похожа на конструкцию динамического микрофона, поэтому, в принципе, из динамического микрофона можно получить слабенькую головку громкоговорителя, а из головки громкоговорителя – микрофон. Понятно, что работать все это будет отвратительно, но работать будет.

Рис. 3. Ленточный громкоговоритель

Ленточные громкоговорители (рис. 3) используют тонкую металлическую ленточку, которая помещается в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и проводником тока и колеблющимся излучающим элементом.

Ленточные головки гораздо эффективнее динамических, пьезоэлектрических и других, поскольку если площадь конического или купольного диффузора – это площадь видимого круга, то активная площадь ленточного излучателя – это полная развертка сложенной мембраны (эффективная площадь в 2,5 раз больше площади проекции сложенной ленты). Таким образом, для получения необходимого уровня звукового давления требуется меньшее перемещение диффузора.

Рис. 4. Электростатический громкоговоритель

Электростатические громкоговорители (рис. 4) используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки (1) толщиной порядка 6...10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (2) (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая металлизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее напряжение порядка 8...10 кВ. Переменное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеблется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа обеспечивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переходных искажений.

Рис. 5. Модельный ряд электростатических громкоговорителей Final

Рис. 6. Центральный громкоговоритель электростатической АС. Model 200

На рис. 5 показан модельный ряд электростатических громкоговорителей Final, а на рис. 6 – крупным планом центральный громкоговоритель АС.

Рис. 7. Пьезопленочный громкоговоритель

Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители (рис. 7) используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве возбуждающего элемента в них применяется биморфный элемент, полученный путем соединения двух пластин (1), (3) из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформации, которые передаются соединенной с ним диафрагме (2). Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пьезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым при помощи специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук, для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи.

По способу излучения акустической энергии головки громкоговорителей делятся на головки прямого излучения, у которых диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, и рупорные (рис. 8), у которых диафрагма излучает звук через рупор. Если рупорный громкоговоритель имеет предрупорную камеру, то он называется узкогорлым рупорным громкоговорителем, а если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.

Рис. 8. Рупорный громкоговоритель

Рупорные громкоговорители широко используют при создании систем озвучивания улиц, стадионов, площадей, систем звукоусиления в различных помещениях, бытовых высококачественных систем, систем оповещения и др.

Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены, прежде всего, тем, что они обладают большей эффективностью, их КПД составляет 10-20 % и более (в обычных громкоговорителях КПД меньше 1...2 %); кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления. Однако при использовании рупорных громкоговорителей возникают проблемы, связанные с тем, что для излучения низких частот необходимо значительно увеличивать размеры рупора, а большие уровни звукового давления в предрупорной камере создают дополнительные нелинейные искажения.

Конструкция головок громкоговорителей зависит от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на:

• широкополосные (OO «full-range»);
• низкочастотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40...500-1000 Гц) («woofer», «subwoofer»);
• среднечастотные (диапазон 0,3-0,5...5-8 кГц) («mid-range»);
• высокочастотные (1-2..16-30 кГц) («tweeter») и др.

Большая часть мощности аудиосигналов обычно приходится на низкочастотные ГГ, поэтому они должны воспринимать нагрузки до 200 Вт и более, сохраняя тепловую и механическую прочность. Эти ГГ имеют низкую резонансную частоту (16...30 Гц) и должны быть рассчитаны на большой ход подвижной системы вплоть до ±12...15 мм.

Внешний вид современного низкочастотного ГГ для высококачественных АС показан на рис. 9.

Основным излучающим элементом громкоговорителя является диафрагма. Диафрагмы современных низкочастотных ГГ изготавливаются из сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками. Иногда в состав такой композиции входит до 10-15 составляющих. Все шире используют синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) и композиционные материалы на основе ткани «кевлар».

Рис. 9. НЧ громкоговоритель

АС для домашних кинотеатров, (особенно центрального и фронтальных каналов, а также сабвуфера) требует применения тщательно экранированных НЧ ГГ.

Среднечастотные громкоговорители (СЧ ГГ) используются в диапазоне ча- стот от 200... 800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам ис- кажений максимальна, поэтому требования к их качеству наиболее жесткие.

Высокочастотные громкоговорители (ВЧ ГГ). (рис. 10). Требования к ним за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной электронной музыке, расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой и др.

В современных АС высокочастотные ГГ используются, как правило, в диапазоне частот от 2...5 до 30...40 кГц. Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне при помощи одного ГГ чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ ГГ применяются в диапазоне от 2... 5 до 16... 18 кГц, а в некоторых АС устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ ГГ (воспроизводящие частоты от 8... 10 до 30... 40 кГц).

Рис. 10. ВЧ ГГ

Потолочные громкоговорители

Потолочные громкоговорители – это, как правило, электродинамические диффузорные громкоговорители, заключенные в пластиковые или металлические корпуса. Их используют для озвучивания помещений и в системах аварийного оповещения зданий. Благодаря большому углу раскрытия диаграммы направленности звука и широкому диапазону воспроизводимых частот потолочные громкоговорители способны довольно качественно воспроизводить звук, кроме того, они гармонично вписываются практически в любой интерьер.

Потолочные громкоговорители обеспечивают более равномерное по сравнению с другими громкоговорителями распределение звука по объему помещения и не требуют при этом установки мощных усилителей. Их применение особенно эффективно для озвучивания больших помещений с высотой потолка до 5 м.

Для удобства монтажа корпус потолочного громкоговорителя снабжается специальными приспособлениями: подпружиненными упорами, полозьями или кронштейнами. Многие громкоговорители крепятся к потолочным плитам с помощью шурупов. В отличие от «обычных» систем озвучивания, системы на основе потолочных громкоговорителей высоковольтные, типичное значение напряжения в линии составляет 100 В, поэтому потолочные громкоговорители имеют встроенные трансформаторы.

При проектировании системы оповещения расчет необходимого количества потолочных громкоговорителей и схемы их размещения (рис. 11) производится исходя из требуемого уровня звукового давления на уровне ушей слушателей (обычно берется среднее значение 1,5 м). Для помещений с высотой потолка менее 5 метров такой расчет не представляет трудностей и производится по приближенным формулам. В таблице 1 для определенной высоты потолков и площади помещения указано количество потолочных громкоговорителей, которое дает наилучшее качество звука и наиболее равномерное распределение звуковых волн.

Рис. 11. Схема размещения потолочных громкоговорителей

Параметр S в таблице – это приблизительная площадь, которую озвучивает один потолочный громкоговоритель:

S = {2х(H – 1,5 м)}2, где Н – высота потолка.

Таблица 1. К расчету системы оповещения

В таблице:
P – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на полную мощность;
P/2 – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на половину максимальной мощности;
H – высота потолка;
S – площадь помещения.

Если высота потолков больше 5 метров, устанавливать потолочные громкоговорители не рекомендуется. Однако если необходимо использовать именно потолочные громкоговорители, следует принять меры для повышения равномерности распределения звука и снижения эффекта реверберации (эха). Если потолочные громкоговорители размещены слишком близко друг к другу, то на уровне ушей слушателей звук будет распределяться неравномерно. Если увеличить расстояние между соседними громкоговорителями, то уровень звукового давления может оказаться недостаточным для хорошей слышимости. Повышение уровня звука громкоговорителей в этом случае влечет за собой увеличение реверберации, особенно в помещениях, отделанных стеклом, мрамором и т.д. Реверберацию можно снизить с помощью звукопоглощающих материалов: ковров, гобеленов, портьер и др.

На рис. 12 и 13 показаны примеры врезных и навесных потолочных громкоговорителей компании Kramer Electronics.

Корпус акустической системы. Основные виды корпусов и их назначение

Корпус АС выполняет многообразные функции. В области НЧ он блокирует эффект «акустического короткого замыкания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхности диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения.

Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах, а также увеличить 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. Правильно спроектированный и изготовленный корпус оказывает огромное влияние на качество звука.

При проектировании корпусов АС чаще всего используют такие варианты конструктивного оформления, как бесконечный экран, закрытый корпус, корпус с фазоинвертором, лабиринт, трансмиссионная линия и др.

Бесконечный экран возникает, когда громкоговорители устанавливаются в стене комнаты с достаточно большим объемом за ним. Для такой установки громкоговорителей характерен эффект «бубнения» на низких частотах, поскольку отсутствует демпфирование.

Закрытый корпус. В современных АС применяют в основном закрытые корпуса компрессионного типа. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в них используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в возвращающую силу, приложенную к диафрагме.

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

Корпуса с фазоинвертором (рис. 14 а) имеют много разновидностей. Корпус, использующий специальную трубу, вставленную в отверстие, позволяет уменьшить размеры корпуса и при помощи регулировки размеров трубы настраивать фазоинвертор (рис. 14 б).

Если в отверстие корпуса устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус, то такой корпус называется корпусом с пассивным излучателем (рис. 14 в).

Рис. 14. Корпус АС с различными вариантами фазоинверторов: а – фазоинвертор; б – фазоинвертор с трубой; в – пассивный излучатель

Лабиринт представляет собой вариант корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громкоговорителя, он действует аналогично фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Резонансы на гармониках от основной резонансной частоты трубы демпфируются звукопоглощающими материалами на стенках корпуса (рис. 15 а).

Рис. 15. Корпус АС типа лабиринта (а) и типа трансмиссионной линии (б)

Трансмиссионная линия – это разновидность лабиринта. Она отличается от лабиринта тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса, и поперечное сечение линии делается переменным – больше у конуса, меньше у отверстия (рис. 15 б). Корпуса такого типа очень сложны в настройке.

Если в корпусе установлены две одинаковых ГГ на один фазоинвертор, то это называется «низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой». Такое оформление часто используют в сабвуферах.

Лучше звучат АС со сглаженными углами, обтекаемой формы, с несимметричным расположением ГГ, однако изготавливать корпуса таких АС сложно и дорого, поэтому подавляющее большинство АС выпускается в корпусах прямоугольной формы. Для уменьшения дифракционных эффектов на углах передней панели применяются специальные меры, в том числе размещение звукопоглощающих материалов («акустическое одеяло»), 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. Сложные внешние конфигурации многих современных АС обусловлены не только эстетическими соображениями, но и стремлением уменьшить дифракционные эффекты. Чтобы снизить излучение звука от стенок АС, обычно стараются увеличить их жесткость и массу.

В современных АС корпус представляет собой довольно сложную и дорогостоящую конструкцию (рис. 16). 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.

Рис. 16. Разрез АС

Кроме объективных измерений, при проектировании проводится прослушивание АС в корпусах различной конструкции.

Фильтрующе-корректирующие цепи

Обеспечить качественное воспроизведение звука с помощью однополосной АС практически невозможно или сложно, поэтому они применяются только в бюджетных решениях, например, в дешевых колонках для компьютеров. Высококачественные АС за редкими исключениями являются многополосными. Для того, чтобы подать на каждую ГГ сигналы своего частотного поддиапазона, используют электрические разделительные фильтры («кроссоверы»).

В большинстве АС для домашнего применения используются т.н. пассивные фильтры, которые включают между усилителем и громкоговорителем (рис. 17).

Рис. 17. Пассивные фильтры («пассивные кроссоверы») в АС

Пассивные фильтры обычно размещаются внутри АС, увеличивая их массу и габариты. Пассивные фильтры в АС бывают первого, второго, третьего и четвертого порядка. Крутизна спада фильтров первого порядка – 6 дБ/октаву, второго – 12 дБ/октаву, третьего – 18 дБ/октаву и четвертого – 24 дБ/октаву.

Простейшие фильтры – это фильтры первого порядка, они занимают мало места и недороги, но имеют недостаточную крутизну спада полос пропускания. Положительная черта этих фильтров – отсутствие фазового сдвига между твиттером (ВЧ-головкой) и другим динамиком.

Фильтры второго порядка (или фильтры Баттерворта, по имени создателя математической модели этих фильтров) обладают более высокой чувствительностью, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран ВЧ-головки и другого динамика. Для устранения этой проблемы необходимо поменять полярность подключения проводов на твиттере.

Фильтры третьего порядка имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности подключения. На рис. 18 показана АЧХ фильтра третьего порядка, а на рис. 19 – его электрическая схема.

Рис. 18. АЧХ фильтра третьего порядка

Рис. 19. Электрическая схема фильтра третьего порядка

Рис. 20. АЧХ трехполосного фильтра

В трехполосных АС АЧХ фильтра выглядит так, как показано на рис. 20.

Фильтры Баттерворта четвертого порядка имеют высокую крутизну спада полосы пропускания, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, то есть на практике он отсутствует. Однако проблема состоит в том, что у таких фильтров величина фазового сдвига непостоянна, что может вызвать неустойчивую работу АС. Оптимизировать схему фильтра четвертого порядка применительно к АС удалось Линквицу и Рили. Их фильтр состоит из двух последовательно соединенных фильтров Баттерворта второго порядка для ВЧ ГГ и для НЧ ГГ. Такой фильтр не имеет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не излучающих звук в одной плоскости. Эти фильтры обеспечивают самые лучшие акустические характеристики.

В «активных» АС со встроенными многополосными усилителями применяются активные фильтры, включенные до усилителя и также называемые кроссоверами (рис. 21).

Рис. 21. Использование кроссоверов

По сравнению с пассивными, активные фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т.д. Однако пассивные фильтры обеспечивают больший динамический диапазон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений. К числу их недостатков можно отнести температурную нестабильность, что приводит к изменению формы АЧХ при повышении уровня подводимого сигнала (так называемая «компрессия мощности»), а также необходимость тщательного выбора высокоточных элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.), к разбросу параметров которых характеристики фильтров могут быть очень чувствительны. В последние годы ряд зарубежных фирм начали применять в акустических системах цифровые фильтры, обеспечивающие в реальном времени функции фильтрации, коррекции и адаптации к реальным условиям прослушивания.

Кроме фильтров, в современных акустических системах достаточно часто используются электронные устройства для защиты громкоговорителей от тепловых и механических перегрузок. Защита как от длительных, так и от кратковременных (пиковых) перегрузок осуществляется с применением различных вариантов пороговых схем, пороги срабатывания которых должны быть меньше, чем тепловые постоянные головок громкоговорителей (Т = 10...20 мс). Кроме того, во многих бытовых системах используются различные варианты индикации перегрузок.

Основные характеристики АС

Характеристик АС существует довольно много, одни из них имеют большее значение для пользователя, другие меньшее, отечественные и зарубежные характеристики АС и методики их измерения не всегда совпадают. Мы кратко рассмотрим только основные характеристики АС.

Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот – диапазон, в пределах которого уровень звукового давления, развиваемого АС, не ниже заданного, по отношению к уровню, усредненному в определенной полосе частот. В рекомендациях МЭК 581–7 минимальные требования к этому параметру составляют 50 – 12500 Гц при спаде 8 дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100 – 8000 Гц.

Значение этой характеристики сильно влияет на естественность звучания акустики. Чем ближе рабочий диапазон АС к максимальному диапазону, воспринимаемому органами слуха человека (16 – 20000 Гц), тем лучше, естественнее звучит АС. Эффективный рабочий диапазон зависит от характеристик головок громкоговорителей, от акустического оформления АС и от параметров разделительного фильтра (кроссовера).

На низких частотах решающую роль играет объем корпуса АС. Чем он больше, тем более эффективно воспроизводятся низкие частоты, поэтому, в частности, сабвуферы всегда довольно громоздки. С воспроизведением высоких частот проблем обычно не возникает, поскольку современные твиттеры позволяют воспроизводить даже ультразвук. Нередко диапазон воспроизводимых частот АС превышает верхнюю границу слышимости человека. Считается, что в этом случае более точно передается тембр сложной фонограммы, например, симфонической музыки. Типичные значения: 100 – 18000 Гц для полочной акустики и 60 – 20000 Гц для напольной.

Серьезные производители АС обычно приводят график звукового давления, развиваемого АС в зависимости от частоты (график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по которому можно определить эффективный рабочий диапазон частот АС и неравномерность АЧХ.

Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением максимального значения звукового давления к минимальному, или по другой методике, отношением максимального (минимального) значения к среднему, в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах. В рекомендациях МЭК 581-7, определяющих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, указывается, что неравномерность АЧХ не должна превышать ±4 дБ в диапазоне 100 – 8000 Гц.

Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний, и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах. Иногда спад амплитудно частотной характеристики при повороте АС на некоторый фиксированный угол, отображается на основном графике, в виде дополнительных ответвлений АЧХ.

Характеристическая чувствительность – это отношение среднего звукового давления, развиваемого АС в заданном диапазоне частот (обычно 100 – 8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС категории Hi-Fi уровень характеристической чувствительности составляет 86-90 дБ (в технической литературе вместо дБ часто указывается дБ/м/Вт). Существуют высококачественные широкополосные АС с чувствительностью 93 – 95 дБ/м/Вт и более.

Характеристическая чувствительность определяет, какой динамический диапазон способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, то есть, в конечном счете, точность воспроизведения. Это очень важный параметр, поскольку вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта, как правило, является максимальным. Например, коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для АС – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Электрическая (акустическая) мощность – определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.

Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:

Характеристическая мощность , при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. В рекомендациях МЭК значение этого уровня установлено 94 дБ на расстоянии 1 метр.

Максимальная (предельная) шумовая или паспортная мощность, при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.

Максимальная (предельная) синусоидальная мощность – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительно работать без механических и тепловых повреждений.

Максимальная (предельная) долговременная мощность, которую акустика выдерживает без механических и тепловых повреждений в течение одной минуты, при таком же испытательном сигнале, как и для паспортной мощности. Испытания повторяются 10 раз с интервалом в 1 минуту.

Максимальная (предельная) кратковременная мощность, которую выдерживает АС при испытании шумовым сигналом с таким же распределением, как и для паспортной мощности, в течение 1 секунды. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 минуту.

Пиковая (максимальная) музыкальная мощность – излюбленный параметр для характеристики АС непонятного происхождения. Методика измерения, определяемая немецким стандартом DIN 45500, следующая: на АС подается сигнал частотой ниже 250 Гц и длительностью менее 2 секунд. Акустика считается прошедшей испытания, если при этом нет заметных на слух искажений. Понятно, что «под заметными на слух искажениями» можно понимать что угодно. В результате на корпусах АС от никому не известных производителей появляются наклейки типа «P.M.P.O. … (или Musical Power…)…100!, …200! и даже… …1000 Wt!». Понятно, что о хоть сколько-нибудь качественном звуке, создаваемом такими АС, говорить не приходится.

При выборе АС для УНЧ желательно, чтобы реальная максимальная мощность АС превышала мощность усилителя приблизительно на 30 и более процентов. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики из-за подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня. Конечно, хорошие АС имеют схемы защиты от перегрузки, но лучше не рисковать.

Какая мощность усилителя достаточна для качественного воспроизведения звука? Во многом это определяется параметрами помещения, характеристиками акустических систем, потребностями самого слушателя. При выборе усилителя для озвучивания небольшой жилой комнаты можно считать, что мощность усилителя должна быть не менее 20 Вт.

Наиболее распространенные значения электрического (входного) сопротивления (импеданса) : 4, 8 или 16 Ом. Этот параметр важен при выборе усилителя, с которым будет работать АС. Следует использовать АС с сопротивлением, соответствующим указанному в паспорте усилителя. Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя, то есть наилучшее качество звука.

Измерения характеристик АС в условиях, отличающихся от условий специально оборудованных акустических лабораторий заводов-изготовителей – дело чрезвычайно сложное, дорогостоящее и, главное, дающее очень приблизительные результаты. Высококачественные звуковые анализаторы и измерительные микрофоны с предусилителями, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, чрезвычайно дороги и далеко не всякая российская фирма может себе позволить их приобретение. Правда, современные методики измерения в большинстве случаев позволят обойтись без акустически заглушенной камеры.

Аудио кабели

Аудио кабели – это, на первый взгляд, наименее важный компонент аудио подсистемы инсталляции или домашнего кинотеатра, поэтому их часто приобретают, что называется «на сдачу». И совершают серьезную ошибку.

Понятно, что любой кабель влияет на проходящий по нему сигнал. Вопрос состоит в том, как именно кабель влияет на сигнал и насколько сильно это влияние.

Выбор аудио кабелей определяется параметрами качества аудио сигнала с одной стороны и конструктивно-финансовыми соображениями с другой. Действительно, при выполнении некоторых инсталляций приходится прокладывать сотни метров аудио кабелей. Можно подсчитать, во сколько обойдутся, например, серебряные микрофонные кабели общей массой 100 кг…

Проводниками в любом электрическом кабеле или проводе являются металлы. В аудио кабелях используют в основном медь и серебро. В 1984 году фирма Hitachi выпустила межблочный кабель SAX-102, который сразу обратил на себя внимание профессионалов. Он был изготовлен из так называемой бескислородной меди OFC (Oxygen Free Copper). Теперь такую медь применяют почти все специализированные «кабельные» фирмы. Чем хороша бескислородная медь? Металл проводника можно рассматривать как последовательное соединение гранул металла. Внутри каждой гранулы кристаллическая структура сохраняет идеальность, но границы раздела между гранулами нарушают кристаллическую решетку. Как правило, причинами появления границ раздела является пленки окислов, соединений кислорода с металлами. За счет того, что OFC отливается и вытягивается определенным образом, длина идеальных гранул увеличивается. Обычная медь высокой степени чистоты содержит около 5000 гранул на метр кабеля. Улучшение технологии OFC привело к появлению более качественной бескислородной высокопроводящей меди OFHC (Oxygen Free High Conductivity), количество гранул на метр в которой составило 1000. Существуют и другие разновидности технологии получения проводов из бескислородной меди.

Похожие технологии применяют и к серебряным проводникам. Результат – появление длинногранулированного серебра с высокой степенью очистки, например, FPS (функционально превосходное серебро) от AudioQuest или PSS (Perfect Surface Silver – серебро с идеальной поверхностью). Это очень дорогие провода. Серебро часто используется как плакирующее покрытие медного провода, причем чтобы исключить потенциальное влияние неоднородностей на передачу сигнала, поверхность полируется до зеркального блеска.

В качестве изоляторов аудио проводов и кабелей в бытовой технике используются в основном полиэтилен, полихлорвинил и фторопласт (известный как тефлон). Для внешних покрытий кабелей используют искусственные каучуки, силиконовые резины, полипропилены и пр. Чаще всего используют полиэтилен, лучшими диэлектрическими характеристиками обладает фторопласт, но он относительно дорог, что сдерживает его применение. Иногда в качестве изолятора используют вспененный полиэтилен или фторопласт.

Поскольку аудио кабели соединяют усилитель с колонками и работают с довольно большими токами, разработчики в первую очередь обращают внимание на активное сопротивление проводника: чем оно меньше, тем лучше. Во-первых, потому что омическое сопротивление кабеля соединяется последовательно с выходным сопротивлением УНЧ и входным сопротивлением АС, и относительно высокоомный соединительный провод может резко ухудшить качество работы УНЧ и АС, а, во-вторых, по закону Джоуля-Ленца термический разогрев провода пропорционален второй степени протекающего через него тока. Уменьшения омического сопротивления проводящих линий добиваются увеличением их сечения. Поэтому аудио кабели довольно толстые. Акустические провода являются относительно низкочастотными (рабочий диапазон укладывается в 4-5 порядков: от единиц герц до сотни килогерц). И все же большинство разработчиков, добившись минимальной величины удельного сопротивления (0,001–0,05 Ом/м), стараются уменьшать индуктивность провода (типичная величина удельной индуктивности – 0,2–0,5 мкГн/м). Практически все провода, за исключением плоских ленточных, выполняются в виде жгутов, собранных из отдельных тонких жил. Самые простые представляют собой пару изолированных проводников («лапша»); такая конструкция встречается чаще всего ввиду ее наименьшей стоимости. Скрученные жилы постоянно меняют свое положение: одни уходят с поверхности внутрь, другие, наоборот, от центра выходят к поверхности. Поскольку распределение плотности тока по сечению проводника не меняется, чтобы оставаться вблизи поверхности кабеля, ток переходит через поверхность раздела от одной жилы к другой. Бывает, что контакт между отдельными жилами не всегда хорош (на поверхности каждой жилы есть слой окислов, плохо проводящих ток), и многочисленные переходы через барьеры сопротивления теоретически могут оказать влияние на передаваемый сигнал. Если разделать старый сетевой провод в резиновой изоляции, обращает на себя внимание темная пленка окислов. Такой провод без зачистки не паяется, омметр показывает довольно большое сопротивление…

Для уменьшения влияния скин-эффекта каждую тонкую жилу порой снабжают собственной изоляцией, однако такие кабели нетехнологичны, поскольку трудно автоматизировать процесс разделки жил такого кабеля.

Акустические кабели характеризуются большим разнообразием конструкций, отличающихся не только внутренним строением, но и внешними признаками: круглые в сечении, плоские, как тонкие ленты, одиночные, сдвоенные, счетверенные и т.д. Несмотря на высокую стоимость, плоские провода очень популярны в инсталляциях домашнего кинотеатра, поскольку они легко прячутся под обои, ковры и т.п. Пользуются спросом попарно сдвоенные провода, которые удобны для подключения акустики по схемам Bi-Wiring и Bi-Amping.

Разновидностью АС являются АС домашних кинотеатров, к которым предъявляются специфические требования. О них будет рассказано в отдельной брошюре.

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

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.