Розрахункам та КОНСТРУЮВАННЯ акустичних систем

Футляр без задньої стінки.

Основна частота резонансу такого футляра

./240820101200004895.gif

де I – глибина скриньки, м; S – площа отвору, м 2 . Збільшення акустичної потужності на основній частоті резонансу на 3-6 дБ при порівняно плоских і 6-10 дБ при глибоких футлярах надає вивчається звуку неприродний тембр. Якщо = , То збільшення акустичної потужності на нижніх частотах найбільш значно. Доцільно використовувати гучномовець із частотою резонансу нижче частоти резонансу скриньки; найбільш часто зустрічається співвідношення / = 0,5 – 0,7.

Футляр без задньої кришки як акустичне оформлення у високоякісних системах відтворення в даний час не використовують. Якщо ж немає альтернативи, то футляр повинен бути можливо більш плоским. Футляр без задньої кришки з гучномовцем слід розташовувати не ближче 20 см від стіни, яку рекомендується задемпфировать важким килимом. Якщо гучномовець повинен бути розміщений уздовж однієї з стін, то бажано уздовж короткої, ближче до її середині.

Розрахунок закритого футляра

Установка гучномовця в закритому футлярі досить великого обсягу твердженням Ф. ляется отримати удвлетворітельное відтворення нижніх частот, так як передня сторона дифузора повністю захищається від випромінювання заднього боку. Це призводить до більш повільного зменшення акустичної потужності на нижніх частотах, ніж при установці гучномовця в акустичному екрані кінцевих розмірів.

Частоту резонансу гучномовця, встановленого в закритому футлярі середніх розмірів за умови, що гучномовець займає менше третини площі стінки, на якій він укріплений, визначають у такому порядку:

1) визначають гнучкість підвісів рухомої системи гучномовця СР ;

2) обчислюють гнучкість об'єму повітря ь футлярі за формулою

./240820101200004896.gif

де V – Об'єм повітря у футлярі, м 3 , Що дорівнює його внутрішнім обсягом за вирахуванням обсягу гучномовця, який в першому наближенні дорівнює 0,4 d4; d – діаметр дифузора, м;

3) по відношенню СГ / СВ за допомогою номограми на рис. 4-20 визначають ставлення fР / fГ, забезпечувана футляром даного обсягу V. Частоту механічного резонансу гучномовця в акустичному екрані можна взяти з табл. 4-11.

Якщо потрібно з наявним гучномовцем отримати акустичну систему у вигляді закритого футляра з резонансною частотою fР, то необхідний обсяг футляра визначають у такому порядку:

1) беруть значення резонансної частоти гучномовця в акустичному екрані з табл. 4-11;

2) визначають гнучкість підвісів рухомої системи гучномовця З Г

;

3) задавшись бажаним ставленням fР / fГ, визначають за графіком на рис. 4-20 відповідне йому ставлення СГ / СВ і знаходять потрібну гнучкість об'єму повітря Сд в закритому футлярі;

./240820101200004897.gif

4) обчислюють необхідний обсяг повітря всередині футляра в кубічних метрах за формулою

Повний внутрішній об'єм футляра отримують, додавши до обчисленого значення V обсяг гучномовець.

Якщо значення невідомо або важко його визначити в акустичному екрані досить великого розміру, то можна виміряти частоту механічного резонансу гучномовця fБ, без екрану і при розрахунку користуватися кривий fР / fБ на рис. 4-20.

Наведений розрахунок справедлива лише для частот f <; 40 / L (L – глибина футляра в метрах). У зв'язку з цим задню сторону дифузора гучномовця в закритому футлярі потрібно захищати від відбитих внутрішніми стінками звукових хвиль, відповідних більш високих частотах, покриттям цих стінок звукопоглинаючим матеріалом.

Габарити закритого футляра можна зменшити, заповнивши його скловатою або іншим подібним матеріалом. Таке заповнення рівносильно збільшенню обсягу футляра на 40%.

./240820101200004898.gif

Якщо отримана розрахунком частота / р досить низька, то гучномовець повинен мати Q близько 1. Якщо ж частота неприпустимо висока, то гарні результати виходять при зниженні добротності до значення Q близько 0,1; при цьому, звичайно, необхідний підйом нижніх частот в підсилювачі приблизно на 6 дБ / октава починаючи з частоти

./240820101200004899.gif

Розрахунок фазоінвертора .

Фазоинвертор представляє собою футляр 1 (Рис. 4-21) з додатковим отвором 3, розташованим поряд з укріпленим на тій же стінці гучномовцем 2 і що має площу, як правило, рівну площі дифузора. Поставивши собі за глибиною фазоінверсного отвори, ставленням його сторін, підрахувавши ефективну площу дифузора (визначальну площа отвору) і беручи резонансну частоту фазоінвертора

= FГ, по номограми на рис. 4-22 можна визначити необхідний обсяг футляра.

./240820101200004900.gif

відстань від кінця тунелю до задньої стінки ящика не повинно бути менше dГ / 2.

На частоті фазоїнвертор можна розглядати як акустичний трансформатор, який поліпшує узгодження гучномовця з повітряною навантаженням. Хоча акустична потужність, що віддається передній стороною дифузора, зменшується на цій частоті, загальна акустична потужність може зрости значно. Разом з тим суттєво зменшуються нелінійні спотворення і збільшується номінальна потужність гучномовця внаслідок зменшення амплітуди зміщення дифузора ..

sp./240820101200002980.gif

Глибина фазоінверсного отвори може варіюватися від товщини стінки футляра (рис. 4-21, а) до величини, приблизно рівний 30 / при використанні тунелю 5 (мал. 4-21, б). Значна довжина тунелю дозволяє застосувати маленький ящик, проте

На частотах нижче реакція гнучкості повітряного об'єму збільшується і утворює твердий зв'язок між масою повітря в отворі і масою рухомої системи гучномовець. Маса повітря, таким чином, додається до масі рухомої системи і разом з гнучкістю підвісів утворює механічний контур з резонансною частотою f1 < . Коли дифузор на цій частоті зміщується вперед, повітря в отворі рухається назад (і навпаки) та ефективність випромінювання нікчемна.

На частотах вище , Сопротівленіемасси повітря в отворі стає високим і фазоїнвертор можна розглядати як повністю закритий футляр. Жорсткість повітряного об'єму додається до жорсткості підвісів і разом з масою рухомої системи утворює контур з резонансною частотою f2 > . Випромінювання фазоінверсним отвором на частоті f2 дуже мало.

Повний електричний опір гучномовця в фазоінвертора має звичайно два максимуми (суцільна крива на рис. 4-23) на частотах f1 і f2 , Розташованих по обидві сторони від частоти резонансу гучномовця в плоскому екрані акустичному (Штрихова лінія на рис. 4-23, де R – опір котушки гучномовця постійному струму).

sp./240820101200002981.gif

Піки повного опору гучномовця в фазоінвертора істотно нижче піку гучномовця в акустичному екрані, однак відповідні їм значення Q1 і Q2 вище Qr – гучномовця в акустичному екрані. Цей недолік особливо сильно проявляється на частоті f1 , тому що збільшення швидкості руху дифузора призводить до збільшення нелінійних спотворень, помітності яких сприяє відсутність корисного випромінювання на цій частоті. З цим явищем можна боротися обмеженням вихідної потужності підсилювача на частотах, близьких до f1 .

Якщо бажано, щоб частотна характеристика гучномовця в фазоінвертора була горизонтальна в нижній частині робочого діапазону частот, починаючи від / г, то необхідно виконати умову

= 0,6.

При збільшенні значення Qg зростає, а значення , Зменшується і це викликає нерівномірність частотної характе-терісгікі. Якщо зменшити Qr немає можливості, то необхідно хоча б придушити пік частотної характеристики на частоті f2 , Що виникає при > 0,6. Це досягається введенням в ящик звукопоглинального матеріалу 4 (Див. рис. 4-21). Іноді весь обсяг заповнюють скловатою. У цьому випадку площа фазоінверсного отвори, отриману розрахунком за номограми на рис. 4-22, слід збільшити в 2,5 рази.

Введення в фазоїнвертор великого колі-повідно звукопоглинального матеріалу приводить до ослаблення випромінювання нижніх частот, і при бажанні продовжити характеристику в сторону цих частот, хоча б до fГ, слід забезпечити істотний підйом нижніх частот в підсилювачі.

Налаштування фазоінвертора проводиться зміною площі отвору (наприклад, пластиною, укріпленої так, щоб її поворот змінював площа отвору) чи глибини тунелю. Необхідно прагнути до того, щоб частотний інтервал, що розділяє резонансні піки повного опору, не відрізнявся значно від октави; амплітуди піків були рівні; будь-які додаткові піки, викликані виникненням стоячих хвиль у ящику, ліквідовувалися шляхом додавання демпфіруючий матеріалу.

Перевага фазоінвертора в порівнянні із закритим ящиком того ж об'єму полягає у збільшенні акустичної потужності приблизно на 5 дБ в діапазоні від однієї до двох октав і в зменшенні нелінійних спотворень в діапазоні частот – 2 / ф при тій же акустичної потужності.

Недоліком фазоінвертора є більш швидке зменшення акустичної потужності на частотах нижче , Ніж у закритому ящику, і необхідність налаштування.

Конструювання футлярів

У футлярі, де змонтований гучномовець, на одній або декількох частотах звукового діапазону можливий резонанс, що приводить до неприємного зміни тембру звуковідтворення. Це явище, найбільш сильно в частково або повністю закритих футлярах.

Зменшенню вібрацій стінок сприяє застосування матеріалів з великою щільністю. Використовувана для цих цілей фанера повинна мати товщину не менше 20 мм. Добрий результат дає сухий річковий пісок, засипають між двома тонкими фанерними листами. Стінки, особливо задня і частково передня, повинні бути посилені дерев'яними брусками. Можливе використання деревинно-стружкової плити.

Демпфірування стінок футляра. Внутрішні поверхні футляра 1 (Рис. 4-24) покриті шаром звукопоглинального матеріалу 6 товщиною не менше 10 мм (або одна з пар паралельних поверхонь шаром подвійний товщини). Однак стоячі хвилі на нижніх частотах при цьому не усуваються.

Кращий результат дає поділ обсягу футляра однією або декількома звуковбирними перегородками 2, наприклад, з повсті товщиною 5-10 мм. Секції скриньки, які відділені від гучномовця однієї або кількома перегородками, в цьому випадку вимагають дуже слабкою акустичної обробки. Верхнечастотний гучномовець 4 повинен бути захищений від випромінювання задньої сторони дифузора ніжнечастотного гучномовця декількома шарами звукопоглинального матеріалу, або металевим ковпаком 5. Ніжнечастотний гучномовець 3 розміщується внизу футляра.

sp./240820101200002982.gif

Розміщення гучномовець. Отвір, в якому розміщується гучномовець, веде себе як труба, довжина якої дорівнює товщині стіни або дошки. Резонанси і антирезонансів цієї труби, а також відображення від країв отвору викликають нерівномірність частотної характеристики. Очевидні рекомендації: скошування країв отвору або установка гучномовця в більш тонкому екрані, який потім розміщується в стіні або в екрані нормальної товщини.

sp./240820101200002983.gif

Форма скриньки. На нижніх частотах гучномовець випромінює сферичні хвилі, і ребра скриньки, особливо ті, які складає фронтальна стінка, утворюють перешкоди на шляху звукових хвиль. Це викликає викривлення фронту хвилі (дифракцію) і вторинне випромінювання від ребер, що призводить до виникнення інтерференційних явищ, викликаючи появу на частотній характеристиці піків і провалів до ± 5 дБ. З точки зору боротьби з вторинним випромінюванням ідеальна форма – сфера, найгірша – куб з гучномовцем в центрі однієї зі сторін. Прямокутний паралелепіпед з гучномовцем, розміщеним ближче до однієї з коротких сторін – краще куба. Однак найкраще наближення до ідеалу дає прямокутна усічена піраміда, поставлена на прямокутний паралелепіпед (рис. 4-25). При будь-якій формі бажано, щоб ящик мав різні значення лінійних розмірів; жоден з лінійних розмірів не був багато більше або багато менше за інших; найбільший розмір ящика не повинен перевищувати 1 / 4 довжини хвилі нижньої частоти робочого діапазону.

Декоративна тканина не повинна викликати значних втрат акустичної потужності. Найбільш придатна тканина з твердих, міцних (бавовняних або пластикових) вільно переплетених ниток. Застосування тканин з м'яких і пухнастих ниток небажано.

З'єднання в групи і фазування гучномовців

Групове з'єднання утворюють кілька однакових гучномовців, розміщених близько один до іншого в одному акустичному екрані. Група гучномовців має велику площу випромінювання на нижніх частотах (що вимагало б при використанні одного динаміка значного збільшення розмірів і маси рухомої системи); разом з тим зберігаються переваги окремого гучномовця з порівняно легкою рухомий системою-з точки зору перехідного режиму і відтворення високих частот.

Опір повітря випромінювання кожного гучномовця групи зростає на нижніх частотах у п раз (га – число гучномовців у групі). Це дозволило б отримати значний виграш у акустичної потужності, якби одночасно не збільшувалася в кв.корень з n раз маса соколеблюще-гося повітря. В результаті при п == 2 -: – 4 акустична потужність збільшується значно, але все ж не в я раз (при тій же електричної потужності), а подальше зростання п виграшу майже не дає.

Збільшення маси соколеблющегося повітря знижує частоти резонансу кожного гучномовця групи і, отже, розширює робочий діапазон частот, особливо значно при великому я.

Найбільш задовільний підключення гучномовців до групи – паралельне; тоді Q системи не буде відрізнятися від Q Г . Якщо необхідно, щоб опір групи дорівнювало опору одного динаміка, то з точки зору кращого Q групи краще застосувати послідовно-паралельне з'єднання гучномовців (Число яких повинне бути одно n2, де п = 1, 2, 3 …). При будь-якому з'єднанні гучномовців до групи вони повинні бути правильно сфазіровани: при підключенні джерела постійного струму (наприклад, низьковольтної батареї) до вхідних затискачів дифузори всіх гучномовців повинні зміщуватися в одному напрямку. Зміна напрямку зміщення дифузора гучномовця проводиться зміною порядку включення його вхідних кінців.

Якщо розміщення групи гучномовців в закритому ящику зустрічає утруднення – необхідний обсяг футляра з розрахунку виходить неприпустимо великим, то гучномовці можна розмістити в малому акустичному екрані або ящику меншого обсягу, заповненому поглинаючим матеріалом, компенсуючи ослаблення випромінювання на нижніх частотах відповідною корекцією в підсилювачі.

До недоліків групового з'єднання відноситься значна нерегулярність частотної характеристики і характеристики спрямованості на верхніх частотах.

Дво-і трьохсмугові акустичні системи

Вибір гучномовців. Звуковідтворення з якістю по класу I зазвичай можна отримати, застосовуючи широкосмуговий гучномовець, наприклад 4ГД4, 4ГД7 або 4ГД28, або розділяючи повний діапазон частот, що відповідає цьому класу, на дві смуги. Для забезпечення звуковідтворення з якістю по класу "вищий" зустрічається необхідність розділяти повний діапазон на три смуги.

Номінальний діапазон частот гучномовця, призначеного для відтворення тієї чи іншої смуги, повинен бути ширше цієї смуги на дві октави при використанні фільтрів з крутизною 6 дБ / октава і на одну октаву при використанні фільтрів з крутизною 12 дБ / октава. Частоту поділу двосмугової системи вибирають зазвичай від 400 до 1 200 Гц. У трисмуговий системі ніжнечастотное ланка може працювати до 300-600 Гц, среднечастотное – до 2 000 – 5 000 Гц.

Поблизу частоти поділу часто виникають значні спотворення, викликані спільною роботою гучномовців. Якщо відстані від кожного з гучномовців до слухача нерівні, то частотна характеристика системи може мати значну нерівномірність, що визначається фазовими співвідношеннями приходять сигналів.

Розділові фільтри. Найбільш просте підключення верхнечастотного гучномовця – через конденсатор, який захищає верхнечастотний гучномовець від перевантаження на нижніх частотах. Таке включення застосовується, коли основний гучномовець має недостатньо широкий частотний діапазон. Ємність конденсатора розраховується за формулою

./240820101200004905.gif

де – Частота поділу, Гц; – Повний опір гучномовця на частоті , Ом.

При правильно побудованому фільтрі кожен гучномовець повинен працювати лише в тій області частот, на яку він розрахований. Втрати у фільтрі в смузі пропускання повинні бути мінімальними.

Індуктивності та ємності фільтра при різній крутизні зрізу, яка визначається як зміна загасання при зміні частоти на октаву, обчислюються за наступними формулами.

./240820101200004906.gif

Для крутизни спаду 6 дБ / октава (фільтр по схемою на рис. 4-26)

Для крутизни спаду 12дБ/октава (фільтр за схемою на рис. 4-27)

./240820101200004907.gif

У формулах (4-11) і (4-12) індуктивності мають розмірність міллігенрі і ємності – мікрофарад.

./240820101200004908.gif

На основі розрахунку вибирають конденсатори з найближчими великими номінальними стандартними ємностями. Для підбору ємності можливе паралельне підключення декількох конденсаторів. Очевидно, що при відхиленні ємності конденсатора від отриманої розрахунком величини частота поділу буде 'відрізнятися від заданої.

./240820101200004909.gif

Якщо для фільтра потрібні ємності порядку десятків мікрофарад і вище, то з метою зменшення його габаритів доцільно використовувати електролітичні конденсатори. Так як останні полярні, а будуть працювати в колі змінного струму, то в кожній ланці фільтра доведеться застосувати по два зустрічно включених конденсатора, кожен з яких повинен мати ємність, можливо більш близьку до отриманої розрахунком. У ланках розділення каналів бестрансформаторних транзисторного підсилювача можна застосувати по одному електролітичного конденсатора, дотримуючись правильної полярності їх включення.

Фільтр для трисмуговий акустичного агрегату (рис. 4-28) являє собою комбінацію двох розглянутих вище фільтрів. Перший відокремлює ніжнечастотную область від середньочастотний; остання потім ділиться другим фільтром. Обидва фільтру не повинні мати однакову крутизну зрізу; вони повинні лише розраховуватися для одного опору.

./240820101200004910.gif

Методика розрахунку розділових фільтрів базується на припущенні рівності і активного характеру гучномовців поділюваних смугах. Так як повний опір гучномовця на частоті розділення може мати значну індуктивного складову, щоб уникнути частотних спотворень в області перекриття слід враховувати при розрахунку індуктивність середньо-і ніжнечастотного гучномовців як частину фільтра, тобто виготовляти котушку фільтра, що включається послідовно з гучномовцем, з індуктивністю менше розрахункової на індуктивність гучномовець.

Якщо опору гучномовців у ланках багатосмуговій системи не рівні, то слід спробувати підібрати рівні опору ланок шляхом групового з'єднання (допускається послідовне з'єднання верхнечастотних гучномовців).

Паралельне з'єднання двох-трьох верхнечастотних гучномовців дає можливість використовувати їх у поєднанні практично з будь-яким ніжечастотним гучномовцем. Можливе розбіжність у величинах повних опорів ланок акустичної системи може бути усунуто збільшенням вхідного опору верхнечастотного ланки за допомогою дільника напруги з резисторів.

Якщо в двох-або триланковий системі використовується кілька верхнечастотних гучномовців (наприклад, 1ГД-3), то їх слід розташовувати в футлярі так, щоб кут між їх осями в горизонтальній площині мав величину близько 20-30 °.

Якщо ж у багатосмуговій звуковідтворювальної системи використовується тільки один верхнечастотний гучномовець, що має повний опір більше, ніж у гучномовець ніжнечастотного ланки, то з метою вирівнювання опору навантаження розділення каналів в області верхніх частот верхнечастотний гучномовець слід шунтувати резистором відповідного опору.

Стереофонічні акустичні системи.

Гучномовці двоканальної стереофонічної системи повинні бути строго ідентичні. Їх слід розташовувати відповідно до рис. 4-29, де зона оптимального "'стереофонічного ефекту заштрихована.

sp1./240820101200002980.gif

Орієнтування гучномовців залежить від їх характеристик спрямованості і повинно бути визначено експериментально. Осі динаміків, не повинні перетинатися в зоні розташування слухачів.