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

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

Акустическое оформление - самостоятельный конструктивный элемент громкоговорителя, не участвующий в преобразовании сигналов из электрической формы в акустическую, но обеспечивающий эффективное излучение звука.

Остановимся подробнее на последнем определении и рассмотрим преимущества и недостатки отдельных видов акустических оформлений. Несмотря на большое разнообразие, все они условно могут быть разделены на пять основных классов: плоский экран, ящик с открытой задней стенкой, закрытый ящик, низкочастотный рупор, ящик-фазоинвертор. Плоский экран ил ящик с открытой задней стенкой (иначе свернутый экран) редко используется в высококачественных системах звуковоспроизведения. Головка громкоговорителя в такой системе излучает по обе стороны оформления и образующиеся звуковые поля находятся в противофазе по отношению друг к другу, что на низких частотах приводит к уменьшению суммарного звукового давления. Разделить поля можно, увеличив размеры экрана или стенок ящика, однако здесь имеются чисто конструктивные ограничения. Например, чтобы получить удовлетворительное воспроизведение низких частот начиная с 40 Гц, размер каждой стороны экрана должен превышать 4 м. , .

Наиболее простое и очевидное решение проблемы интерференции волн от передней и тыльной сторон диффузора заключается в поме-

щении головки громкоговорителя в полностью закрытый ящик. Такой громкоговоритель лишь в незначительной степени поддается акустической настройке. Размер оформления по существу определяет нижнюю граничную частоту громкоговорителя, а для получения хорошей частотной характеристики (в ящике приемлемых размеров) требуются головки с очень низкой резонансной частотой.

Низкочастотные рупоры редко используются иа практике главным образом потому, что они сложны в исполнении.

С конструктивной точки зрения оформление в виде ящнка-фазо-ннвертора ие сложнее оформления в виде закрытого ящика и фактически совпадает с ним, за исключением того, что в передней панели имеется отверстие, которое позволяет использовать звуковое поле, образуемое головкой громкоговорителя внутри ящика. В отличие от плоского экрана или ящнка с открытой задней стенкой здесь не происходит взаимного ослабления волн от передней и тыльной сторон диффузора, поскольку образующаяся дополнительная колебательная цепь (масса воздуха в фазоииверсном отверстии и упругость воздуха в ящике) сдвигает по фазе волну, излучаемую фазоин-вертором.

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

Акустическая мощность и коэффициент полезного действия

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

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

P>K = \U?Rar. (I)

Объемная скорость находится как произведение колебательной скорости на площадь излучателя.

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

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

ходится излуч*Т!М9>. Для многих простых акустических оформлений выражение для Наг, карактеризуйщее меру согласованности излучателя со средой, найдено теоретически. Поэтому для рассматриваемого типа громкоговорителя, нзображениого иа рис. 1, принято счиТатв;7Чтр сопротивления излучения голойКй н фазоии-версиого отверстия рЗвиы и определяются выражением:

с *:

где / - частота; с -скорость звука; р -плотность воздуха. Так как объемная скорость на выходе фазоии-версиого отверстия Uv образована колебаниями тыльной стороны диффузора, она имеет знак, противоположный знаку объемной скорости иа поверхности головки Ud, и выражение для излучаемой громкоговорителем акустической мощности с учетом (1) я (2). принимает следующий вид:

Рак =

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

где -сопротивление звуковой катушки головки постоянному току.

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

cEJR,

Таким образом, чтобы иайти абсолютное значение и частотную зависимость к. п. д., т. е. частотную характеристику громкогоиорнте-ля, необходимо определить объемные скорости Ui и С, иа излучающих поверхностях головки и фазоннверсиого отверстия. Для решения этой задачи удобнее всего воспользоваться методом электрических аиалогвй, т. е. представить громкоговоритель в виде некоторой эквивалентной-схемы.

Эквивалентная схема громкоговорителя

Метод электрических аналогий и анализе механических и акустических цепей широко известен и в применении к громкоговорителям подробно описан Веранек>м. Можно считать, что громкогоиори-тель как сложный электромехаиический и механико-акустический преобразователь содержит в себе три типа элементов: акустические, мехаиическвк и электрические. Так, например, сопротивление излучения относят к акустическим элементам, массу и гибкость подвижной системы головки - и механическим, а сопротивление звуковой иатуш-кн-к электрическим. Представляя эти элементы в виде соответствующих полных сопротивлений, можно с помопю известных свойств преобразований перевести сопротивление одного вида в любой другой с тем, чтобы вся схема, отображающая работу громкоговорителя, содержала лишь один тип величии. Образующиеся при этом так называемые эквивалентные акустические, механические или электрические схемы являются схемами электрическими, однако они составлены таким образом, чтобы токи н напряжения в их цепях со-otвeтcтвoвaли определенным акустическим, механическим иди электрическим величинам.

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

Для преобразования какого-либо электрического сопротивления Z, в эквивалентное ему механическое Zm иля акустическое 2 используют следующие соотношения:

z ==

где В -плотность магнитного потока в воздушном зазоре магнитной системы головки; / - длина провода звуковой катушки в зазоре-- площадь диффузора.

Последняя величина ие совпадает с площадью видимой поверхности диффузора, а иычисляется как площадь поршня, эквивалентного головке. Практически Si совпадает с площадью выходного от-иёрстня головки за вычетом площади, занимаемой верхним подвесом.

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

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

Рнс, 2. Полная эквивалентная акустическая схема громкоговорителя.

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

EgBl

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

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

акустическая присоединенная масса воздуха, соколеблющего-ся с фронтальной частью подвижной системы головки; Л!аб -акустическая присоединенная масса с тыльной стороны диффузора, Rab - акустическое активное сопротивление ящика, характеризующее потери за счет поглощения звука на стенках и в объеме ящнка; Со - акустическая гибкость воздуха в ящике; акустическое

активное сопротивление излучения отверстия фазоинвертора; М - .акустическая присоединенная масса воздуха вблизи отверстий фазо- ивертора; Rap - акустическое активное сопротивление, представляющее потери на трение при колебаниях воздуха в фазоинверсиой трубе; Мор - акустическая масса воздуха внутри трубы; Rai - акустическое сопротивление, определяющее активные потерн за счет трения при колебаниях воздуха в отверстиях н щелях ящика.

Рис. 3. Упршценная эквивалентная акустаческая схема громкоговорителя.

; ОБЬзнЗейые на схеме to-ки в отдельных ветвях по своим значениям равны объемным скоростям на поверхности диф-оузора Ui, внутри ящика i/s, в фазоииверсном отверстии и и 6 щелях ящика t .

В качестве частных случаев из полной эквивалентной акустической схемы могут быть получены схемы, характеризующие работу головки громкоговорители в закрытом ящике, в бесконечном экраие или без оформления. Схема для громкоговорителя в виде

закрытого ящнка получается путем простого отбрасывании ветви, представляющей собой фазоинвертор и его излучение. Головка громкоговорителя без оформления или в бесконечном экране может быть представлена схемой, образованной из схемы рис. 2 закорачиванием элементов Саь и /?оь. Различие в оформлении скажется лишь в численных значениях R М, Маъ.

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

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

ЛГор и Л£ на схеме рис. 3 собраны вместе и образуют общую акустическую колеблющуюся массу воздуха в фазоинверсиой трубе Мо . Наконец, Rai, Rap и Rab - сопротивления, характеризующие активные потери в щелях, в трубе и в ящике, опущены, так как для большинства случаев добротность Q цепей, в которых находятся эти сопротивления, высоки по сравнению с Q головки громкоговорителя.

При дальнейшем упрощении эквивалентной схемы громкоговорителя последовательные активные сопротивления целесообравио

2-443 9