Подключение сдвоенных акустических головок 75гдн 4. Делаем сами акустическую колонку со сдвоенной головкой
А.Н. Журенков, г. Запорожье. PA 10" 2009
После публикации моей статьи «Сдвоенные динамические головки» («Радио» 5/1979) это техническое решение
вызвало большой интерес у радиолюбителей и разработчиков акустических систем. Об этом свидетельствуют
многочисленные письма радиолюбителей, статьи в журналах «Радиоаматор» и «Радио», проспект фирмы
«Jamo» 1985, выпустившей ряд АС со сдвоенными головками, книга Карлаша В. , «Справочник
радиолюбителя» Те-рещука Р. с соавторами и др.
Сдвоенные головки используются для более качественного воспроизведения низких частот звукового
диапазона. Сдвоенные головки типа «диффузор к диффузору» (рис.1) используются в АС только для
воспроизведения низких частот. Сдвоенные головки типа «диффузор за диффузором» (рис.2), в основном,
рекомендуется использовать в АС для воспроизведения всего звукового диапазона с применением
широкополосных головок.
Естественно, сдвоенные головки имеют параметры, отличающиеся от таких же одиночных, и требуют более
детального технико-экономического анализа, а АС с такими головками - доступных методик расчета. Понимая
это, я в 1979 году подготовил и направил статью по этому вопросу в журнал «Радио», но статья была
заблокирована рецензентом Иофе В.К. под предлогом неэффективности применения сдвоенных головок в АС.
Это говорит о том, что ученые и специалисты не сразу поняли суть физических процессов, происходящих в
сдвоенных головках.
И только в 1983 году, возможно, после зарубежной информации о выпуске АС со сдвоенными головками,
статьи о сдвоенных головках были разблокированы. Об этом свидетельствует статья радиолюбителя Жбанова
В. «О громкоговорителях со сдвоенными головками» («Радио» 2/1983). Автор сделал ряд грамотных выводов,
но в своей АС применил сдвоенную головку менее эффективного типа «диффузор за диффузором» и предложил
сдваивать среднечастотные головки , что недопустимо по причинам, которые будут изложены ниже. К
несчастью, эти ошибки попали и в «Справочник радиолюбителя» Терещука Р. В 1987 году Жбанов В. в статье
«Пути уменьшения габаритов акустических систем» предоставил результаты экспериментов, которые
показали, что только симметричная сдвоенная головка подавляет излучение четных гармоник и другие виды
искажений, а также предложил в один блок устанавливать п головок. Теоретически это возможно, а практически
такой блок из п головок будет иметь большие габариты, которые необходимо добавлять к расчетному объему
ящика. В результате этого общий объем ящика уменьшится не столь существенно, появятся фазовые сдвиги
звуковых волн даже в низкочастотном диапазоне из-за большого расстояния между крайними головками, и
неоправданно увеличатся стоимость АС, а также потребуется более мощный усилитель.
Другие авторы публикаций также допустили ряд существенных ошибок в своих конструкциях АС со
сдвоенными головками. Кратко в качестве примеров можно привести три статьи из разных журналов. Автор
Алейнов А. в статье «НЧ излучатель с симметричной магнитной системой» («Радио» 2/2001) предложил
сложную нетехнологичную и, очевидно, чисто теоретическую конструкцию, т.к. изготовить ее в любительских
условиях просто невозможно. Кроме того, вместо обещанного автором звучания она будет иметь плохие
параметры, т.к. внутренний демпфер будет увеличивать путь, искривлять и препятствовать свободному
движению звуковых волн между диффузорами. Увеличение пути движения звуковой волны от внутреннего
диффузора к внешнему может привести к ощутимым фазовым сдвигам даже на низких частотах, что приведет к
искажению АЧХ.
Автор Синецкий Б. в статье «Две конструкции АС» («Радиоаматор» 1/2000, рис.3) сдвоил разнотипные головки,
что недопустимо, а также нерационально выделил большой объем для широкополосной головки. Грамотной и
оригинальной является конструкция АС со сдвоенной головкой радиолюбителя Гурина С., приведенная в статье
«Акустическое оформление громкоговорителя» («Радио» 4/1991).
Большинство авторов не приводят параметров, расчетов ящиков АС, сравнительных характеристик и хотя бы
простых измерений АЧХ через микрофон в реальных условиях, т.е. в помещениях, где АС будет
использоваться. В этом есть и объективная причина - отсутствие современных научно-популярных изданий по
акустике и дефицит ранее изданной фундаментальной литературы по электродинамическим головкам и АС. В
основном радиолюбители добиваются результатов путем экспериментов, что довольно накладно, т.к.
изготовление любой АС очень трудоемкий процесс.
Прежде чем перейти к особенностям конструирования АС со сдвоенными головками необходимо привести
анализ физических процессов, происходящих в сдвоенных головках и влияющих на их основные параметры.
Физические процессы в головках, сдвоенных по типам «диффузор к диффузору» и «диффузор за диффузором»
одинаковы. Разница между этими типами состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем будет
описано ниже.
Диффузоры сдвоенных головок связаны между собой объемом воздуха, заключенного между ними. Этот объем
должен быть герметизирован во избежание нежелательных явлений . Оба диффузора при воспроизведении
звукового сигнала движутся синфазно, т.е. либо оба наружу, либо оба внутрь ящика АС.
Диффузор наружной головки излучает звуковые волны во внешнее воздушное пространство, а диффузор
внутренней головки, двигаясь наружу, сжимает воздух между диффузорами, помогая наружному преодолевать
сопротивление воздуха внешнего пространства и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же
одиночной головкой, при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Двигаясь в обратном
направлении, диффузор внутренней головки разрежает воздух между диффузорами и сжимает воздух внутри
ящика, помогая наружному диффузору совершать большую амплитуду в обратном направлении, т.е. диффузор
внешней головки как бы «имеет дело» с ящиком большего объема, чем фактический. Этим объясняется
реализация мощности, подводимой к внутренней головке, которая не излучает звуковые сигналы во внешнее
пространство, а возбуждает звуковые волны в объеме воздуха, заключенного межу диффузорами, которые
должны быть синфазными с колебаниями внешнего диффузора. Идеально синфазными они быть не могут, т.к.
звуковые волны от внутреннего диффузора к внешнему проходят какое-то расстояние, поэтому сдвиг фаз
неизбежен. По этой причине сдвоенные головки могут работать только в том диапазоне частот, в котором
длины звуковых волн не соизмеримы с расстоянием между их диффузорами, т.е. только в низкочастотном
диапазоне звукового спектра частот. 
Например, для верхней частоты НЧ диапазона 150 Гц сдвиг фаз между колебаниями диффузоров сдвоенных
головок типа 6ГД-2 составит 0,022 длины волны, а на более низких частотах сдвиг фаз будет еще меньше, что
практически не внесет никаких искажений.
Для верхней частоты СЧ диапазона 5 кГц сдвиг фаз между колебаниями диффузоров сдвоенных головок типа
ЗГД-1 составит 0,43 длины волны, а это значит, что звуковая волна от внутреннего диффузора к внешнему
придет практически в противофазе и создаст полный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той
причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки.
По этой же причине при сдваивании широкополосных головок по типу «диффузор за диффузором» для
воспроизведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуковую катушку внутренней
головки заблокировать от воздействия средних и высоких частот . Схемы параллельного и
последовательного подключения головок показаны на рис.3. При этом эффект сдвоенной головки типа
«диффузор за диффузором» будет проявляться только в НЧ диапазоне, а остальные частоты будут
воспроизводиться только внешней головкой. Естественно, АС со сдвоенными широкополосными головками не
могут быть высококачественными, но более качественными, чем в обычном исполнении.
Для высококачественных АС рекомендуется сдваивать головки по типу «диффузор к диффузору» и только для
Воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет четные гармоники, которые вызывают
ощутимые нелинейные искажения, особенно вторая гармоника, как самая большая по амплитуде.
Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложены в их технологии производства,
традиционных конструкциях магнитных систем, обладающих несимметричным и неравномерным
распределением магнитной индукции в магнитном воздушном зазоре , несимметричной конической формой
диффузоров, обладающих «парашютным эффектом сопротивления воздуху», несимметричном размещении
звуковых катушек в магнитном зазоре и нелинейной гибкости подвесов подвижных систем . Для одиночной
головки распределение магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы несимметрично (рис.4,а).
В сдвоенной головке типа «диффузор к диффузору»:
результирующее распределение магнитной индукции в воздушном зазоре эквивалентной магнитной системы
становится симметричным (кривая Всг на рис.4,6);
нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенсируется;
результирующая форма диффузора становится симметричной;
несимметричное расположе-1 ние звуковых катушек в магнитных воздушных зазорах! устраняется путем
подбора экземпляров головок с одинаковой несимметричностью.
В сдвоенной головке типа «диффузор за диффузором» устраняется только несимметричное расположение
звуковых катушек в воздушных магнитных зазорах путем подбора экземпляров головок с противоположной
несимметричностью .
Номинальная мощность
электродинамической головки
это наибольшая мощность, при которой параметры головки соответствуют паспортным данным, а
максимальная мощность
это наибольшая мощность, при которой головка может длительно работать без повреждений. Эти мощности у
сдвоенной головки любого типа в два раза больше, чем у аналогичной одиночной головки.
Электрическое сопротивление
электродинамической головки представляет собой отношение напряжения к
электрическому току звуковой катушки. Эта величина комплексная, которая зависит от частоты звукового
сигнала и достигает максимума на частоте основного резонанса . В заводских паспортах приводится
номинальное электрическое сопротивление. У сдвоенных головок любого типа при последовательном
соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном - в два раза меньше, чем у
аналогичной одиночной головки.
Амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависимость
звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала при неизменной подводимой мощности к звуковой
катушке. Все выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравномерные АЧХ , причем АЧХ разных
экземпляров одного итого же типа головок имеютразную неравномерность и несколько отличные частоты
основного резонанса подвижных систем. В сдвоенных головках пики и провалы в НЧ диапазоне частично
компенсируются, и АЧХ получается более сглаженной, а в СЧ и ВЧ диапазонах сдвоенные головки не работают
по указанным выше причинам .
Среднее стандартное звуковое давление
электродинамической головки представляет собой среднеквадратичное
значение звуковых давлений в ее полосе частот на расстоянии 1 м при подводимой мощности 0,1 Вт [ 1 ] и
зависит от мощности и КПД. Динамические головки одной и той же мощности, отличающиеся диаметром
диффузоров, магнитной индукцией в воздушных магнитных зазорах, массой подвижных систем и гибкостью
подвесов подвижных систем отличаются КПД и создают разные звуковые давления.
Коэффициент полезного действия
(КПД) электродинамической головки зависит от параметров ее
конструктивных элементов. Наибольшее звуковое давление (громкость) создают головки с наибольшим, легким
диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с другими головками такой же мощности.
Однако такие головки требуют большего объема ящика АС, который, как будет показано ниже, прямо
пропорционален эффективной площади диффузора, гибкости подвеса подвижной системы и обратно
пропорционален массе подвижной системы. В сдвоенной головке эффективная площадь диффузора и гибкость
подвеса подвижной системы в два раза меньше, масса подвижной системы в два раза больше, чем у двух
одиночных головок (в расчетах объема ящика АС масса каждой головки учитывается отдельно).
В связи с этим КПД сдвоенной головки уменьшается в 1,41 раз, однако это окупается снижением всех видов
искажений,
нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и объема ящика АС, который в четыре раза меньше,
чем в традиционном варианте :
Vэ.сг = (Vэ.1+Vэ.2)/4 где
Vэ.сг - эквивалентный объем сдвоенной головки;
Vэ.1 + Vэ.2 - эквивалентные объемы одиночных головок.
Частота основного резонанса электродинамической головки, содержащей подвижную систему, обладающую
массой и гибкостью, представляет собой механическую резонансную систему. Частота основного резонанса
определяется максимальной амплитудой колебаний диффузора при одной и той же мощности [ 1 ].
Частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется. Объем ящика АС определяется из
зависимости частоты основного резонанса головки от его объема. При установке любой головки в ящик
закрытого типа частота основного резонанса повышается и тем больше, чем меньше объем ящика. Основным
параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропорциональна его объему
и обратно пропорциональна эффективному диаметру диффузора . Гибкость воздуха в большей степени
зависит от диметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдвоенной
головки относительно двух одиночных существенно повышает ее. Эффективный диаметр диффузора сдвоенной
головки меньше в 1,41 раз по сравнению с двумя одиночными головками.
Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует
дополнительных затрат труда и материалов. Проще, исходя из параметров головок, подлежащих сдваиванию, и
желаемого результата задать новую частоту основного резонанса и рассчитать его объем по известной методике
. Если ящик окажется больше желаемого, тогда придется выбрать несколько выше частоту основного
резонанса и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее трудоемко, чем изготовление проверочного
ящика. В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС пригодны для
конструирования АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с
рупором, ПАС и т.п.). Для более рационального использования объема ящика АС рекомендуются варианты
установки сдвоенных головок, показанные на рис.5.
Выходные отверстия могут быть круглыми или прямоугольными, закрытыми декоративными решетками. В
качестве материала для ящиков рекомендуется применять ДСП, которая более доступна и не издает призвуков
как фанера или доска.
Литература
1. Эфрусси М. Громкоговорители и их применение. М. «Энергия», 1976.
2. Журенков А. Сдвоенные динамические головки // Радио. - 1979. -№4.
3. Жбанов В. О громкоговорителях со сдвоенными головками // Радио. - 1983. - №2.
4. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем // Радио. - 1987. - №2.
5. Карлаш В. Любительские стереоконструкции. - К.: Техника, 1983.
6. Алдошина И., Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели. -М.: Радио и связь,
1985.
Частота основного резонанса - частота, при которой возрастает до пикового максимума полное электрическое сопротивление катушки;
Добротность электромеханической системы громкоговорителя. Это очень важная характеристика. Она показывает степень инерционности системы - как механической, так и электрической, и определяет скорость затухания свободных колебаний монитора;
Номинальный диапазон частот, т.е. частотная область, в которой работа громкоговорителя удовлетворяет норме;
Среднее звуковое давление - давление, развиваемое в определенном диапазоне частот и в определенной точке звукового поля при подаче определенной электрической мощности;
Характеристическая чувствительность;
Неравномерность АЧХ - разность между максимальным и минимальным давлением в номинальном (или при необходимости в каком-либо ином) диапазоне частот. У хороших громкоговорителей она не превышает 3-4 дБ;
Частотная характеристика - графическое изображение предыдущего параметра;
Направленность - изменение давления при отклонении от рабочей оси на определенный угол при неизменном расстоянии от центра;
Коэффициент гармоник (обычно 3-й гармоники и выше) - выраженный в процентах уровень гармоник, появляющихся при подаче на громкоговоритель чистого синусоидального сигнала, в котором никаких гармоник нет;
Коэффициент интермодуляционных искажений. Об этом параметре нужно сказать подробнее. Предположим, на громкоговоритель подан сигнал, содержащий две частоты 100 и 1000 Гц. В результате взаимодействия этих частот возникают комбинационные частоты (иногда некорректно называемые комбинационными гармониками) с частотами, соответствующими разности или сумме верхней частоты и частоты, кратной нижней - в нашем случае 800, 1200 , 600, 1400 Гц и т.д. Чем ниже общий уровень этих частот, тем лучше. Идеальный громкоговоритель вообще не должен генерировать эти частоты, как и любые другие, отсутствующие в исходном сигнале.
Из нескольких параметров мощности наиболее важны следующие:
Номинальная мощность - мощность, при которой нелинейные искажения не превышают заданного предела;
"музыкальная мощность", называемая также "паспортной", "максимальной шумовой", "продолжительной" и т.д. - мощность в определенном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает при реальном или широкополосном шумовом сигнале без повреждений на протяжении некоторого времени;
Пиковая (максимальная кратковременная) мощность - мощность, которую выдерживает громкоговоритель при шумовом сигнале на протяжении короткого импульса (от 0,01 до 1n) без повреждений;
Рупорные излучатели. Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причина этого заключается в несогласованности сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для повышения сопротивления излучения нужно увеличивать размеры излучателя, но это повлечет рост механического сопротивления массы излучателя и не даст выигрыша в КПД. Поскольку диффузор выполняет две функции: преобразования механических колебаний в акустические и излучения этих колебаний в окружающую среду, разрешить такое противоречие можно только разделением этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях, Рупор служит также для согласования сопротивлений механической системы и окружающей среды. Рупором называют трубу с переменным сечением. Входное отверстие излучающего рупора (горло) меньше, чем выходное (устье). Выходное отверстие является излучателем, а входное - нагрузкой для механической системы. Таким образом, излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая система - небольшой и потому легкой.
Виды рупоров: а - сдвоенный; б - секционированный.
Рупоры применяют с различным законом изменения поперечного сечения. Наиболее распространены рупоры экспоненциальные; реже применяются конические, так как они имеют значительно менее равномерную амплитудно-частотную характеристику. Для острой направленности и более низкой границы передаваемого диапазона частот следует увеличивать выходное отверстие рупора и выбирать рупор большей длины. Для увеличения длины рупор часто свертывают или складывают. С аналогичными явлением мы сталкиваемся в духовых музыкальных инструментах: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.
Для концентрации или расстояния звуковых волн применяются акустические линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения (например, скорость распространения звуковых волн в пористых материалах или в решетках и жалюзи пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве). К недостаткам рупора можно отнести нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора, а также частотные искажения в рупорах конической формы. Рупорные электродинамические громкоговорители имеют два конструктивных варианта: узко- и широкогорлые. Площадь входного отверстия рупора в узкогорлых громкоговорителях в несколько раз меньше площади поршневой диафрагмы, в широкогорлых - эти площади или одинаковы, или близки друг к другу.
Таковы основные технические параметры громкоговорителей. Следует заметить, что обращаться с паспортными данными следует осторожно. Некоторые производители иногда называют, например, диапазон воспроизводимых частот без указания на неравномерность характеристики; при этом может выясниться, что заявленный нижний порог в 25-30 Гц обеспечивается лишь при падении давления на 10 дБ и более, что фактически является фальсификацией.
Хотелось бы отметить, что за 80 лет с момента изобретения динамического задача - передать звучание симфонического оркестра, ансамбля, голоса и др., - можно только удивляться и восхищаться гениальностью конструкции самого громкоговорителя аудиотехника проделала огромный путь: от фонографа до DVD - а громкоговоритель конструктивно принципиально не изменился. Радикально изменилась только технология его изготовления и материалы. Учитывая, что перед такой простой конструкцией (состоящей всего из нескольких элементов: диафрагмы, катушки и магнитной цепи) стоит огромная массового акустического изделия, миллиарды экземпляров которого используются во всем мире.
Акустические системы
От характеристик громкоговорителей перейдем к составляемым из них акустическим системам. К сожалению, отечественная терминология еще не устоялась и не соответствует зарубежной. Так, собственно "динамики" в нашей терминологии, особенно в старых ГОСТах, именуются "головками", а акустические системы - "громкоговорителями". В современной профессиональной и коммерческой среде используют термин "акустическая система", причем бытовые акустические системы называют по обиходному "колонками", а профессиональные студийные акустические системы "мониторами". Некоторые, запутавшись, просто перешли на транслитерацию с английского - "спикер", в их устах вовсе не председатель Думы, а динамик "вообще". При этом низкочастотный "спикер" - это "вуфер" или "субвуфер", среднечастотный - "драйвер", а высокочастотный - это "твиттер", но для него есть и русское определение "пищалка" (кстати, точный перевод слова tweeter).
Идеальная акустическая система должна иметь только один широкополосный громкоговоритель, воспроизводящий полную полосу частот 20-20000 Гц. Однако, так как к громкоговорителю предъявляют различные, а зачастую взаимоисключающие требования при работе его в различных полосах частот, сделать такой идеальный громкоговоритель практически невозможно, по крайне мере за приемлемую цену. Поэтому подавляющее большинство современных акустических систем имеют по две и более головки, работающих в различных полосах частот. Низкочастотный громкоговоритель - всегда диффузорный динамик, среднечастотный- тоже, но иногда бывают среднечастотные рупорного типа (horn). Высокочастотные громкоговорители производятся как диффузорные, так и рупорные и купольные (dome, bullet). Двухполосная система используется обычно для так называемых "мониторов ближнего поля", т.е. располагающихся непосредственно вблизи головы звукорежиссера. Один динамик в такой системе воспроизводит низкие и средние частоты, другой - высокие. Для разделения частот внутри корпуса находится разделительный фильтр (в зарубежной терминологии crossover). При этом частота разделения входного электрического сигнала для подачи на низкочастотный и высокочастотный динамики выбирается несколько выше, чем нижняя граница диапазона высокочастотного громкоговорителя. Учитывается также номинальная мощность ВЧ-громкоговорителя. Гораздо лучше воспроизводят слышимый диапазон частот 3-х полосные системы, состоящие из низкочастотного громкоговорителя (woofer), среднечастотного (mid-driver), и высокочастотного (tweeter). Работа в ограниченном диапазоне "своих" частот улучшает звучание низко- и средне- частотных динамиков и снижает искажения, т.к. генерируемые этими динамиками гармоники высокого порядка оказываются выше частоты среза фильтра и соответственно подавляются.
Акустическое оформление
П
ередняя
и задняя поверхности колеблющегося
поршня излучают колебания в противофазе:
когда передняя поверхность в момент
времени t 1 создает сжатие среды,
то противоположная поверхность поршня,
в этот же момент t 1 , создает
разрежение.
Сжатие и разрежение распространяются в разные стороны (Рис.18.6). При определенных условиях, огибая поршень, волны интерферируют с колебаниями возникшими с противоположной стороны (фазы) и их сумма стремится к нулю. Это явление называют - акустическим коротким з амыканием (АКЗ). Возникновение АКЗ уменьшает отдачу акустической мощности излучателя (поршня) в области тех частот, при которых длина излучаемой волны велика по сравнению с размерами поршня (условия дифракции). Это явление возникает на низких частотах НЧ звуковой волны.
Ч
тобы
избежать АКЗ на низких частотах,
необходимо установить экран, чтобы
колебания из области сжатия не огибали
поршень и исключили явление интерференции.
Экран устанавливается в сочетании с
излучателем. Такой прием получил название
акустического экранного оформления
(оформление). Простейшим видом оформления
является щит (Рис.18.7). Чтобы полностью
устранить АКЗ, необходимо установить
щит, у которого линейные размеры плоскости
были больше половины длины звуковой НЧ
волны λ:
d > λ/2; ( 6.1.1)
Стандартный акустический экран по ГОСТ 16122-84 имеет размер 1350 х 1650 м.
Закрытый ящик (ЗЯ, Closed Box) это оформление второго порядка (рис.6.1.3 А и рис. 6.1.4). По сравнению с другими видами нагруженного оформления менее чувствителен к отклонениям характеристик. Основные его плюсы: прекрасная импульсная характеристика.Это теоретически позволяет получить плоскую АЧХ. Недостаток = низкий КПД, что требует повышенной мощности усилителя, и повышенный уровень четных гармоник из-за несимметричной нагрузки диффузора.
А – закрытый ящик, Б – фазоинвертор, В – пассивный излучатель
Ч
астота
резонанса и полная добротность головки
при установке в закрытый ящик объемом
Vc, соизмеримым с эквивалентным Vas,
увеличиваются. Таким образом, при
установке головки в ЗЯ с объемом, равным
эквивалентному, ее резонансная частота
и добротность увеличиваются в 1,41 раза,
в ящике объемом 0,5Vas = в 1,73 раза и так
далее.
Следующий по распространенности тип акустического оформления – фазоинвертор. Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше. Из всех возможных конструкций систем двойного действия наибольшее распространение получил фазоинвертор (ФИ, Vented Box, Ported Box, Bass Reflex). Это резонансная система. Заключенная в ФИ масса воздуха на частоте его настройки ведет себя подобно диффузору, являясь источником звуковых колебаний. Пассивный излучатель - это разновидность ФИ, в котором масса воздуха в туннеле заменена массой подвижной системы пассивного излучателя В качестве пассивного излучателя чаще всего используют обычную динамическую головку, иногда с удаленной магнитной системой.
Конструктивно он выполнен в виде закрытого ящика с двумя отверстиями
В одном отверстии размещается излучатель (поршень), другое отверстие свободное, и имеет конструкцию в виде небольшой трубы объемом V. Частота фазоинвертора ƒ ф, (Рис.18.10).
При медленных колебаниях (8Гц - 10Гц) пружина С в (Рис.18.10). соединяющая обе массы m, не успевает деформироваться, так как у нее большое упругое сопротивлениеz :
z=1/(ω·С в); (18.1)
В результате обе массы m п и m в двигаются с одинаковой фазой. При этом волна, излучаемая отверстием, сдвинута на 180 o по фазе по сравнению с волной, излучаемой поршнем. Повышение частоты приводит к уменьшению упругого сопротивления воздуха в ящике и пружина С в начинает деформироваться. В результате между колебаниями обоих масс m п и m в возникает фазовый сдвиг, возрастающий с повышением частоты и достигающий на частоте резонанса ящика 180 o . Таким образом, воздух в отверстии и поршень колеблются в противофазе, а волны, излучаемые ими, будут синфазными и интерферируя усиливают друг друга. Частоту резонанса фазоинвертора ƒ ф, как правило, выбирают равной частоте резонанса ƒ 0 головки (поршня), т.е. в области НЧ рабочего диапазона (Рис.18.10). При дальнейшем увеличении частоты излучение звука отверстием не происходит, так как инерционное сопротивление воздуха в отверстии ω·m в становится чрезвычайно большим. При этих частотах фазоинвертор аналогичен закрытому ящику. Внутренние поверхности фазоинвертора также, как и ящика, покрывают звукопоглощающим материалом.
Рисунок 18.11
На схеме рис. 18.11 усилитель мощности, являющийся для громкоговорителя источником сигнала, с напряжением открытой цепи и выходным сопротивлением преобразован в генератор напряжений, имитирующий генератор с выходным значением акустического давления, после генератора полное сопротивление, представляющее собой сумму активного сопротивления звуковой катушки и выходного сопротивления усилителя. M as - акустическая масса подвижной системы, присоединенная масса воздуха с передней и тыльной стороны диофрагмы. С а s - акустическая гибкость подвесов. R as - акустическое сопротивление подвижной системы. M av - акустическая масса воздуха в фазоинверсной трубе.
Акустическая нагрузка. Диффузор динамической головки в закрытом оформлении испытывает существенно отличающееся сопротивление при движении вперед и назад. Асимметричность нагрузки является потенциальным источником нелинейных искажений. Поэтому еще в середине 70-х годов появились акустические системы, в конструкции которых этот недостаток устранялся введением дополнительной акустической нагрузки для передней поверхности диффузора. Аналогичные решения можно использовать и для ограничения амплитуды колебаний диффузора в системах двойного действия. Надежных методик расчета акустической нагрузки нет, необходим эксперимент.
Рисунок 18.12
Акустическую нагрузку можно реализовать различными способами. В простейшем случае (рис.18.12 А) перед диффузором размещается отражающая поверхность (Reflex Body). Однако такое решение ухудшает чувствительность АС и ее АЧХ на средних частотах. В некоторых современных конструкциях для улучшения АЧХ и диаграммы направленности служит тело вращения чечевицеобразной формы (рис.18.12 Б). С этой же целью можно использовать отражающую поверхность, расположенную под углом (рис.18.12 В). Клиновая нагрузка отчасти играет роль короткого рупора, что способствует акустическому усилению определенного диапазона частот. Как дальнейшее развитие этой идеи появились акустические системы с резонатором (рис.18.12 Г). После этого оставалось сделать только один шаг к конструкции полосовых громкоговорителей.
П
олосовые
громкоговорители. Общая черта всех
конструкций полосовых громкоговорителей
(bandpass) - наличие одной или нескольких
резонансных камер и установка динамической
головки внутри корпуса. Поскольку эти
системы уже не являются системами
прямого излучения, их расчет и изготовление
весьма сложны. Поэтому распространение
получили в основном конструкции
четвертого порядка (рис. 18.13 А). Полосовые
громкоговорители шестого (рис.18.13.Б,В)
и восьмого (рис.18.13.Г,Д) порядка встречаются
реже.
Рисунок 18.13
Полосовые громкоговорители: А – закрытый ящик-резонатор, Б – фазоинвертор двойного действия, В – фазоинвертор последовательного действия, Г – фазоинвертор последовательного двойного действия, Д – фазоинвертор-резонатор последовательного двойного действия
Полосовое акустическое оформление используется исключительно для сабвуферов. Достоинство полосового громкоговорителя - высокий КПД, импульсные же и фазовые характеристики весьма посредственны и ухудшаются с ростом порядка. Для всех конструкций, кроме закрытого ящика-резонатора, желательно применение фильтра инфра-низких частот (как и для классического фазоинвертора).
Помимо рассмотренных конструкций полосовых громкоговорителей с одной динамической головкой известны также АС, имеющие две головки. Конструкция получена объединением двух одинаковых полосовых систем. Одна из камер становится общей, ее объем при этом удваивается. На (рис.18.14 А,Б)показаны два варианта оформления четвертого порядка, на рис.18.14 В – шестого.
О
дно
из достоинств подобных конструкций
состоит в том, что они не требуют
специального монофонического канала
усиления: каждую головку можно подключить
к своему каналу стереофонического УМЗЧ.
Рисунок 18.14
Сдвоенные головки. Практически во всех рассмотренных конструкциях можно использовать сдвоенные динамические головки. Для этого однотипные головки устанавливаются одним из показанных на рис.18.15 способов. Получившуюся конструкцию можно рассматривать как новую низкочастотную динамическую головку с совершенно другими свойствами. Теоретические значения полной добротности и частоты основного механического резонанса получившейся системы рассчитываются как среднее геометрическое от соответствующих величин исходных головок. Поскольку при сдваивании обычно используются однотипные головки с достаточно близкими параметрами, можно считать, что эти параметры практически не изменятся. Однако заключенный между диффузорами головок связанный объем воздуха увеличивает эффективную массу подвижной системы, понижая частоту основного механического резонанса головок больших размеров до 80% от исходной.
Рисунок 18.15 Установка сдвоенных головок: А - лицом к лицу, Б - спина к спине, В - в затылок, Г - со связанным объемом
До настоящего времени основным материалом для изготовления корпусов акустических систем остается древесина. При этом учитывается, что дерево обладает собственными акустическими свойствами, а внесение корпусом собственных призвуков нежелательно. С ними борются как специальными гасящими конструкциями, так и применением вместо сплошной "чистой" древесины древесно-стружечной плиты (ДСП), столь нелюбимой нами в мебели. ДСП не имеет какой-либо структуры (каковой являются линейные волокна дерева), поэтому меньше подвержена резонансам. Снаружи ДСП отделывается разными покрытиями, в том числе имитирующими дерево (фанеровка), но эта отделка носит чисто декоративный характер.
Наряду с традиционным использованием дерева продолжаются попытки использования иных материалов - пластика, металла, камня. Существует довольно большое число пластиковых акустических систем, как правило, небольшого размера (ближнего поля), звучащих достаточно приемлемо и дешевых в силу технологичности изготовления корпусов. Однако попытки создания пластмассовых корпусов акустических систем большого размера пока не увенчались успехом (с точки зрения акустики, разумеется, а не "ящикостроения"). Дело в том, что большой корпус должен обладать и большой массой, иначе в нем начинают "гулять" такие резонансы, что их подавление обходится гораздо дороже, чем, например, в деревянном корпусе.
Довольно эффективны и в последнее время популярны металлические корпуса акустических систем. Это связано, в частности, с широким использованием в студийной практике компьютеров с традиционными электронно-лучевыми кинескопами мониторов, на которые плохо влияют магниты динамиков, если те находятся слишком близко. Металлический корпус акустической системы является в данном случае экраном. Кроме того, металл технологичен в изготовлении и обеспечивает необходимую по акустическим требованиям жесткость.
Интересные результаты дает и использование камня. Тут о технологичности изготовления корпусов говорить не приходится, но акустические результаты оказываются превосходны. Впрочем, проблема решается компромиссом - применением синтетического материала, позволяющего соединить простоту производства корпуса с массивностью и жесткостью камня.
Однако, несмотря на активные поиски новых материалов, основным остается "старое доброе" дерево.
Долгое время традиционное расположение динамиков на передней стенке корпуса в виде "снеговика" (внизу низкочастотный громкоговоритель, в середине - среднечастотный, и наверху - высокочастотный) устраивало пользователей. Однако было замечено, что расстояние от центров разных динамиков до слушателя часто различно, и звуки от них доходят до слушателя не строго синфазно. Величина несинхронности чрезвычайно мала, но проблема существует. Решение было найдено в различных типах так называемых коаксиальных, находящихся на одной оси, громкоговорителях. В простейших случаях высокочастотный динамик закреплялся перед центром конуса низкочастотного диффузора, но, естественно, без физического соприкосновения с ним. Другой, более сложный, но и более изящный способ создания точечного излучателя предложила известная английская фирма Tannoy. В их, теперь уже классической системе, мембрана высокочастотного динамика находится сзади магнита низкочастотного динамика. В керне низкочастотного громкоговорителя проделаны каналы, по которым воздушное давление от высокочастотной мембраны проходит в направлении излучения низкочастотного диффузора, являющегося к тому же рупором для высоких частот. Так достигается идеальная точечность излучения.
Ранее упоминалось, что на высоких частотах диффузоры, особенно большие, колеблются в основном центральной частью, прилегающей к катушке. Это свойство было использовано при создании широкополосных громкоговорителей, популярных в профессиональной технике два-три десятилетия назад и встречающихся и поныне. В этих громкоговорителях в центральную часть диффузора вклеивался дополнительный микродиффузор, работавший как коаксиальный высокочастотный громкоговоритель. Конечно, результат был далек от качества настоящих коаксиальных систем, но отдача на высоких частотах у этих широкополосных динамиков действительно существенно улучшалась.
Современное производство предельно стандартизовано. Сложились стандарты и на размеры громкоговорителей - от мала до велика. Современные динамики принято мерить в дюймах, и это удобно: получается не только размер, но как бы и "номер изделия".
Даже для мощной акустики не применяются динамики больше 21", да и восемнадцатидюймовые встретишь не часто. Далее по порядку идут 15", 12", 10" и 8".
Среднечастотные - 8", 6,5" и 5". Высокочастотные - 4", 2,5" и 1,5". Впрочем, размеры диффузора имеют значение в основном для низкочастотных громкоговорителей, напрямую влияя на нижнюю границу диапазона и уровень звукового давления.
Реальную звуковую картину могут представить только большие акустические системы (контрольные мониторы) "дальнего поля", звучащие равномерно по всему диапазону частот и не перегружающиеся при рекомендованном уровне прослушивания (около 90 дБ).
Характеристики направленности
Как следует из теории акустики, идеальным источником звука является "точечный" излучатель, то есть такой излучатель, размерами которого по сравнению с длиной излучаемой им звуковой волны можно пренебречь. К сожалению, реальные акустические системы весьма далеки от такого идеального излучателя и, более того, имеют различную диаграмму направленности для разных частот звукового сигнала. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя определяется отношением длины волны излучаемого им звукового сигнала и геометрического размера (диаметра) диффузора громкоговорителя. Кроме того, диаграмма направленности в области совместного действия излучения двух громкоговорителей АС зависит от взаимного фазового сдвига их сигналов, определяемых схемой разделительного фильтра акустической системы.
Сегодня в «колонкостроении» существует два подхода, связанных с направленностью акустических систем. Приверженцы первого из них утверждают: система должна быть остронаправленной, для того чтобы исключить вредные отражения звука. По этой логике остронаправленные колонки обязаны доставить звуковую информацию точно в зону прослушивания без нежелательных «примесей» в виде отражений от стен и различных предметов. Общеизвестными примерами могут служить колонки, построенные на остронаправленных коаксиальных динамиках (Tannoy, KEF). Коаксиальные двухполосные излучатели представляют собой собранные на единой магнитной системе среднечастотный и высокочастотный громкоговорители. Купольная "пищалка" собрана на внутреннем керне магнитной системы и находится внутри конусного диффузора среднечастотного громкоговорителя, который является своеобразным рупором-звуководом для звуковых волн, излучаемых "пищалкой". Такие излучатели обладают рядом уникальных особенностей, заметно выделяющих их из массы других громкоговорителей. Во-первых, благодаря используемой конструкции, центры излучения ВЧ и СЧ-громкоговорителей находятся практически в одной точке, что исключает возникновение фазовых и временных искажений излучаемых ими сигналов. Во-вторых, так как излучение средних и высоких частот физически осуществляется из одной точки пространства (условно), излучатели типа Uni-Q имеют хорошую диаграмму направленности на этих частотах благодаря этим серьезным преимуществам, звучание акустических систем с коаксиальными излучателями характеризуется отличной локализацией источников звука в пространстве. В европейских колонках встречаются схемы D"Appolito, в которых твитер расположен между двумя одинаковыми НЧ/СЧ-головками, - это обостряет направленность на ряде частот, снижая количество звуковых переотражений от пола и потолка. В дорогих колонках подчас встречаются целые гирлянды твитеров, призванные ювелирно фокусировать высокие частотыДиаметрально противоположный подход - ненаправленные акустические системы, или акустика с круговой направленностью. Такие громкоговорители, в силу своей конструкции, в полной
Может показаться странным, но динамик в основном характеризуют три параметра, предложенный Тиллем и Смоллом :
Fs
- это частота резонанса динамика без какого-либо акустического оформления.
Она так и измеряется - динамик подвешивают в воздухе на возможно большем расстоянии от окружающих
предметов, так что теперь его резонанс будет зависеть только от его собственных характеристик -
массы подвижной системы и жесткости подвески.
Qts
- отношение передаточной функции динамика на частоте Fs к
передаточной функции на частотах, где амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) динамика горизонтальна,
т.е. на частотах выше Fs. Другими словами, Qts -характеризует эффективность динамика на резонансной
частоте.
Vas
- объем воздуха, который обладает гибкостью (величина обратная упругости)
такой же, как и подвижная система динамика.
При размещении динамика в закрытом ящике (ЗЯ) гибкость воздуха внутри ящика добавляется к гибкости подвижной системы динамика и его резонансная частота изменяется. Существует следующая закономерность, при помещении динамика в ящик объемом Vas его резонансная частота Fs и добротность Qts возрастают в 1,4 раза.Измерить эти параметры при первый взгляде на конструкцию довольно геморойно, но проделав это один раз - все сомнения пропадают - всё оказывается достаточно просто.
Для начала надо подготовиться:
ЗЯ я сразу отмёл - зачем мне колонка с низким КПД? Динамик и так не самый мощный - номинал 50Вт, максимальная 75Вт. К тому же внутри колонки нехилое давление создается, что требует особой герметичности. И параметр Fs/Qts не подходит для моего динамика. Правда, ЗЯ это и самый маленький ящик из всех - что может оказаться иногда важным.ФИ я не захотел делать по трем причинам:1) надо супер ровную дырку делать и потом чем-то её закрывать, иначе мой ребенок сразу приговорит динамик 2) надо ставить фильтр для обрезания частот свыше 200Гц, иначе 75ГДН дальше звучит совсем не cool. 3) нормальный спад на низах получался при диких размерах ящика 120-150л(еще один шкаф в квартире), меня бы жена выперла вместе с этим сабвуфером:) НО! Fs/Qts=74, т.е. динамик наиболее подходит для ФИ, а низы классные дает при этом, только вот РАЗМЕР 8(. Тут надо учесть, что для одиночных бандпассов подходят практически те же динамики, что и для фазоинверторов.
Бандпасс мне подошел и понравился больше всего. Фильтр делать не надо - сам корпус фильтрует. Динамик внутри спрятан - не проткнешь. И расчеты в программах показали наилучшие результаты при уместном размере...
Расчет и проектирование ящика.
Расчеты показали у Бандпасса относительно неплохие размеры и неплохой спад на низах, однако всё равно спад сильно зависел от объема и пришлось идти на компромисс, немного уменьшив ящик до 65л. Расчеты я провел сразу в трех программах, дабы проверить верность того, что я соорудил. Результаты практически сошлись. Я использовал WinISD 0.44 , WinISD Pro Aplha и JBL SpeakerShop или BassBox (найдите 10 отличий называется). Понравилась мне больше всего первая прога, вторая была жутко глючной (на то она и Alpha), но в некоторых отношениях полезной, третья - просто подтвердила мои расчеты (у неё очень неудобный интерфейс - плохо менять параметры на лету, подбирая значения для размера камер и фазоинверторов, а после каждой загрузки нужно в метрическую систему переключаться). Итак чего получилось - смотрим графики (взять файлы проектов можно будет далее).
В этой статье описана конструкция малогабаритных акустических систем АС, предназначенных для использования в местах отдыха вдали от дома, которые обладают более высоким качеством воспроизведения музыкальных фонограмм, чем серийные переносные магнитофоны и магнитолы высоких классов.
Как сделать акустическую систему своими руками
В статье кратко обоснованы пути и причины выбора такого технического решения. Данные акустические колонки могут быть построены начинающими радиолюбителями, так как требуют небольшое количество материалов, соответственно, малый объем трудозатрат на изготовление и просты в настройке. Технология изготовления акустических систем своими руками подробно описана в расчете на начинающих радиолюбителей.
Конструирование малогабаритных акустических систем своими руками было вызвано необходимостью во время отпуска вдали от дома слушать музыкальные записи с более высоким качеством, чем это позволяют переносные магнитофоны и магнитолы высоких классов. Речь не идет о высококачественном звучании категории Hi-Fi, поэтому необходимо было найти компромиссный вариант между качеством звучания и объемом аппарата.
Двухполосная акустика Мелодия-101-стерео
За основу была взята двухполосная акустическая система радиолы I класса «Мелодия-101-стерео» с динамическими головками типов 10ГДН-1 (6ГД-6), 6ГДВ-1 (ЗГД-2) и с габаритными размерами 300x171x168 мм, но с другой конфигурацией и несколько меньшим объемом ящика акустической системы (фото в начале сайта).
Ящики были изготовлены из ламинированной фанеры толщиной 12 мм. Боковые стенки и лицевая панель, с вырезанными отверстиями под динамические головки, соединены между собой с помощью деревянных реек сечением 15×15 мм, клея ПВА и коротких гвоздей.
Гвозди должны входить в фанеру на глубину не более 8 мм. Задняя часть боковых стенок вначале также была обшита рейками сечением 15х 15 мм по всему периметру на расстоянии 12 мм от края для крепления задней стенки шурупами.
Первоначально ящик акустической системы был закрытого типа, в нем были установлены две электродинамические головки типов 25ГДН-3 (15ГД-14) и 6ГДВ-1 (ЗГД-2) с простейшим фильтром, аналогично «Мелодии- 101 -стерео», из одного разделительного конденсатора между головками емкостью 2 мкФ.
Эти динамики выбраны из следующих соображений:
- диапазон воспроизводимых частот динамика 25ГДН-3 65-5000 Гц;
- частота основного резонанса 55 Гц;
- номинальное электрическое сопротивление 4 Ом;
- диапазон воспроизводимых частот динамика 6ГДВ-1 5000…18000 Гц;
- номинальное электрическое сопротивление 8 Ом .
В результате этого получается полная стыковка диапазонов воспроизводимых частот от 65 до 18000 Гц без среднечастотного динамика. Практические испытания звучания этой акустической системы на слух дали результат, который оказался ниже ожидаемого в части воспроизведения низших звуковых частот. Очевидно, сказалось уменьшение объема ящика.
Проанализировав все возможные способы повышения качества звучания, при тех же габаритах акустической системы, было принято решение дополнить ящик щелевым фазоинвертором с тыльной стороны и установить сдвоенные головки типа 25ГДН-3, у которых результирующий эквивалентный объем в два раза меньше, чем у одной такой же головки .
Объем имеющегося ящика, как бы, увеличивается почти в два раза для наружной головки, учитывая, что внутренняя головка занимает часть полезного объема. В результате уменьшение объема ящика по сравнению с акустической системой «Мелодии-101- стерео» было компенсировано применением сдвоенных головок.
Чертежи акустической системы
Конструкция акустической системе со сдвоенными динамиками и фазоинвертором показана на рис. 1, где обозначены:
- Перегородка фазоинвертора.
- Направляющая рейка.
- Рейки крепления боковых стенок, лицевой панели и задней стенки.
Более качественно воспроизводят низшие частоты звукового диапазона сдвоенные головки по типу «диффузор к диффузору» (рис.2), но они заваливают средние частоты. При желании построить более высококачественную малогабаритную акустическую систему достаточно дополнить ее среднечастотной головкой, например, типа 3ГДШ-8 и разделительным фильтром аналогично использованному в акустической системе . При этом высоту акустического ящика (рис. 1) необходимо увеличить на размер диаметра СЧ головки плюс 20 мм.
Сдвоенные динамики по типу «диффузор за диффузором», нормально воспроизводят средние частоты, так как диффузор наружной головки обращен к слушателю лицевой стороной, и улучшают воспроизведение низших частот и АЧХ по сравнению с одиночной головкой . Данная колонка является двухполосной, что нужно учитывать, поэтому в данном случае вариант сдваивания головок по типу «диффузор за диффузором» является более приемлемым. Чертеж узла крепления сдвоенных головок показан на рис.3.
Для крепления сдвоенных головок к лицевой панели вырезают из фанеры толщиной 5…6мм
кольцо 10 с внутренним диаметром 110 мм и наружным — 160 мм, на которое соосно накладывают головку и размечают крепежные отверстия карандашом. Отверстия просверливают сверлом диаметром 3,3 мм. Кольцо с отверстиями накладывают на место крепления сдвоенных головок к внутренней стороне лицевой панели 11 и размечают центры углублений для головок крепежных винтов 7. В отверстия кольца 10 из фанеры вкручивают винты 7 М4 с круглыми головками и длиной 25 мм.
Если фанера очень плотная, можно предварительно нарезать в ней резьбу метчиком М4. После этого на лицевой панели делают углубления для головок крепежных винтов диаметром 7 мм и глубиной 4 мм. Эту операцию необходимо выполнять очень осторожно, чтобы не просверлить панель насквозь. Предварительно для точного размещения крепежных винтов углубления делают сверлом диаметром 2 мм, зажатым в ручные тиски, а затем таким же способом углубления расширяют сверлом диаметром 7 мм.
После этого кольцо со стороны лицевой панели и место его установки на внутренней стороне этой панели обильно смазывают клеем ПВА или эпоксидной смолой, включая углубления для головок винтов. Кольцо устанавливают на место и прижимают или прибивают короткими гвоздями. Излишки клея с передней стороны лицевой панели сразу же удаляют влажным тампоном, а эпоксидной смолы — ацетоном. Кольцо в таком состоянии находится до полной полимеризации клея (для надежности лучше выдержать 24 ч. так как прочность этого крепления очень важна).
Для сдваивания динамических головок необходим разделительный цилиндр 4, который герметизирует объем воздуха между диффузорами и на который опирается внутренняя головка. В авторском варианте цилиндр склеен из двух слоев линолеума на войлочной основе толщиной 5 мм. Внутренний диаметр цилиндра 114 мм, высота 60 мм.
Высота цилиндра может быть другой, в зависимости от модификации головок, но должна быть такой, чтобы зазор между диффузором внутренней головки и магнитной системой наружной головки был не менее 10… 15 мм. Для изготовления первого слоя цилиндра полоску линолеума 358×60 мм склеивают торцами клеем «Момент» войлочной основой внутрь и по наружной поверхности фиксируют скотчем.
Вторую полосу шириной 60 мм и длиной, определяемой по месту, наклеивают на первый слой цилиндра и фиксируют скотчем. Торцы второго слоя цилиндра должны стыковаться с противоположной стороны. В боковых стенках готового цилиндра напротив выводов внешней головки сверлят отверстия по диаметру монтажных проводников, которыми эта головка подключается к схеме акустической системе.
Для крепления (рис.3) обеих головок необходимо также иметь четыре втулки 6 длиной 25…30 мм с внешним диаметром 8… 10 мм со сквозной резьбой М4, четыре шпильки 5 длиной 60 мм с резьбой М4 на обоих концах по 20 мм, 8 гаек М4,12 картонных или текстолитовых шайб 2.8. Вначале на винты 7 приклеенного кольца устанавливают внешнюю динамическую головку 9 и закрепляют втулками 6 через шайбы 8. В отверстия разделительного цилиндра 4 вставляют достаточной длины зачищенные и залуженные монтажные проводники. Цилиндр устанавливают на динамическую головку 9, а проводники припаивают к ее выводам.
Во втулки 6 ввинчивают шпильки 5 на которые навинчивают опорные гайки с шайбами, и устанавливают внутреннюю головку 3 до плотного совмещения с разделительным цилиндром 4. На концы шпилек 5 надевают картонные или текстолитовые шайбы 2 и навинчивают гайки 1. ВЧ головку 6ГДВ-1 с заранее подпаянными проводниками крепят к лицевой панели обычным способом шурупами. Конденсаторы С1 и С2 приклеивают к днищу акустической системе клеем «Момент». На задней стенке крепят гнездо типа «Тюльпан» для подключения соединительного кабеля между акустической системой и усилителем мощности.
После крепления деталей их соединяют между собой согласно принципиальной схеме, показанной на рис.4. Конденсатор С1 80 мкФ состоит из нескольких стандартных, включенных параллельно. На схеме показано, что внутренняя головка зашунтирована конденсатором С1. В связи с тем, что длина звуковых волн среднечастотного диапазона соизмерима с расстоянием между диффузорами, звуковые сигналы, излучаемые внутренней головкой, приходят к диффузору внешней головки с существенными фазовыми сдвигами, искажающими АЧХ.
Например, звуковой сигнал с частотой 3000 Гц, длина волны которого равна 11,5 см, пройдя расстояние между диффузорами 6 см, поменяет фазу почти на противоположную и затормозит излучение этой частоты внешней головкой, т.е. создаст провал АЧХ на этой частоте. В этом варианте сдвоенных головок средние частоты должны воспроизводиться только внешней головкой. а низшие частоты, длины волн которых значительно больше расстояния между диффузорами, — воспроизводиться обеими головками и проходом фазойнвертора.
Сопротивление шунтирующего конденсатора на верхней частоте СЧ диапазона должно быть в несколько раз меньше сопротивления внутренней головки. Полное электрическое сопротивление динамика 25ГДН-3 на частоте 1 кГц равно 4 Ом, а на частоте 5 кГц составляет примерно в 5 раз больше. В данном случае на частоте 5 кГц сопротивление равно 0,4 Ом. В аналогичных акустических системах, габариты которых не являются критичными, внутреннюю головку можно шунтировать последовательным LC-контуром, перекрывающем полосу частот примерно 400 Гц…6 кГц.
В трехполосных акустических системах сдвоенные головки любого типа работают только на низших звуковых частотах, а средние и высокие частоты подавляются фильтром НЧ кроссовера, поэтому дополнительное шунтирование внутреннего динамика не требуется. Для прохода фазоинвертора на лицевой панели недостаточно места, поэтому было принято решение, поместить его с тыльной стороны. На работу динамических головок в области их основного механического резонанса место размещения прохода фазоинвертора особой роли не играет. Единственным недостатком этого варианта является то, что такую АС нельзя вплотную прислонять к стенкам помещений или мебели.
Для простоты изготовления и настройки фазоинвертор выполнен в виде узкой щели, образованной верхней стенкой ящика и плоской перегородкой 1 по всей его ширине (рис.1). Перегородка 1 выполнена из фанеры толщиной 6 мм и закреплена в пазах, образованных верхними рейками 3 крепления боковых стенок ящика и направляющими рейками 2. закрепленными на расстоянии 6 мм от верхних боковых реек. Верхнюю рейку 3 крепления задней стенки перемещают ниже на расстояние 21 мм от верхней стенки. Заднюю стенку обрезают сверху на 21 мм и крепят шурупами.
Изначально перегородка 1 имеет площадь примерно равную верхней стенке и возможность перемещаться в пазах для настройки фазоинвертора. Настройка фазоинвертора заключается в достижении минимума напряжения на сдвоенных головках на частоте основного резонанса 55 Гц путем изменением длины прохода перемещением перегородки. Более подробно настройка фазоинвертора описана в (4) и (5). После настройки фазоинвертора отмечают линию стыка перегородки с задней стенкой карандашом. Перегородку вынимают, лишнюю часть перегородки обрезают, а торец ее обрабатывают наждачной шкуркой.
После этих операций снимают заднюю стенку, а пазы, поперечную рейку и края перегородки смазывают клеем ПВА. Перегородку вставляют в пазы на свое место, а выдавленные части клея равномерно распределяют узкой кистью вдоль стыков перегородки с рейками. После полной полимеризации клея проверяют прочность крепления перегородки на отсутствие ее вертикального перемещения в пазах для предотвращения дребезжания. При обнаружении щелей между перегородкой и направляющими рейками щели заливают клеем ПВА.
После этого крепят заднюю стенку — и акустическая система готова к эксплуатации. Перед установкой задней стенки на рейки крепления наносят слой пластилина толщиной около 1 мм для герметизации корпуса акустической системы. В заключение следует отметить, что приведенная модернизация акустической системы дала положительные результаты и успешно используется в течение нескольких лет.
Акустические системы (АС) со сдвоенными головками заинтересовали в свое время немало радиолюбителей. Многие из них остановили свой выбор именно на таких АС и, судя по отзывам, довольны их звучанием. Интерес к сдвоенным головкам проявили и некоторые зарубежные фирмы. Например, в 1985 г. фирма «Jarho» рекламировала ряд новых АС, утверждая в рекламном проспекте , что их большая мощность и высокая верность воспроизведения при относительно небольших габаритах достигнуты благодаря применению сдвоенных головок. Однако отсутствие глубокого анализа и, главное, практических рекомендаций по конструированию АС с такими головками, а также появление в продаже современных низкочастотных компрессионных излучателей несколько снизили интерес радиолюбителей к сдвоенным динамическим головкам. Исследования последних лет позволили выявить новые достоинства этого вида излучателей. Кстати, оказалось, что его оптимальная конструкция та, в которой головки обращены диффузорами одна к другой, поэтому в дальнейшем речь пойдет только об этом варианте. Основные достоинства сдвоенной головки (по сравнению с одиночной) - более гладкая АЧХ, меньшие нелинейные искажения и меньший требуемый объем ящика акустического оформления. АЧХ сглаживается благодаря взаимному демпфированию головок, из которых составлена сдвоенная . Каждая одиночная головка в пределах допускаемых отклонений имеет свою, обусловленную технологией производства, неравномерность АЧХ, поэтому частоты пиков и провалов на их АЧХ не совпадают. В сдвоенной головке часть этих пиков и провалов взаимно компенсируются.Нелинейные искажения уменьшаются из-за того, что сдвоенная головка (в отличие от одиночной) представляет собой симметричную электро-механоакустическую систему. По этой причине сопротивление воздушной среды с ее обеих сторон практически одинаково, обусловленное конструктивными особенностями и свойствами материала различие гибкости подвеса у головок некоторых типов при движении диффузора вперед и назад отсутствует. Наконец, асимметрия распределения магнитной индукции в зазоре магнитной системы, отрицательно влияющая на уровень второй гармоники , в сдвоенной головке не проявляется.Рис.1. Расположение сдвоенной головки
Конечно, существуют и другие способы снижения нелинейных искажений АС. Для уменьшения четных гармоник шведская фирма «Audio-Pro», например, в низкочастотном блоке AC B4-2000 устанавливает две (из четырех) низкочастотные головки магнитными системами наружу . Однако рассредоточение излучателей порождает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности АС. Фирма «Jamo» нашла более совершенное решение. В низкочастотном звене она применила одну мощную сдвоенную головку, поместив ее на горизонтальной доске (см. рис. 1, а), под которой расположен рупор, направляющий звук в сторону слушателя и согласовывающий механическое сопротивление подвижной системы головки с воздушной средой . Что же касается объема ящика, то он уменьшается благодаря тому, что результирующая гибкость подвеса сдвоенной головки по сравнению с одиночной снижается вдвое. Масса же подвижной системы сдвоенной головки возрастает во столько же раз, поэтому частота основного механического резонанса не изменяется.
Для сохранения расчетной резонансной частоты сдвоенной головки в акустическом оформлении требуется ящик объемом, вдвое меньшим, чем для одиночной головки того же типа, что видно из следующих соотношений : f я / f r = \/?c г / c я + 1; с я = 1,14V / D 4 эфф, где: f я и f r — резонансные частоты головки соответственно в ящике и открытом воздушном пространстве, c г и с я - гибкость подвеса головки и воздуха в ящике, V - объем ящика, D 4 эфф - эффективный диаметр диффузора. Поскольку значение D 4 эфф сдвоенной головки такое же, как и одиночной, для выполнения приведенных соотношений при уменьшении гибкости c г в 2 раза необходимо уменьшить гибкость с я, а следовательно, и объем V во столько же раз (по сравнению с двумя головками, установленными отдельно, объем уменьшится в 4 раза).
Казалось бы, увеличивая число головок, работающих на одно отверстие АС, можно еще в большей степени уменьшить ее габариты . Однако на практике головки не удается сблизить настолько, чтобы их геометрические размеры не сказались на фазовых сдвигах звуковых волн, излучаемых крайними головками, В этом случае длина пути распространения звуковых волн от крайней внутренней головки до крайней наружной становится соизмеримой с длинами излучаемых волн, что в конечном счете приводит к вычитанию и искажению звуковых сигналов (вот почему нельзя сдваивать средне- и высокочастотные головки). Кроме того, снижение КПД в этом случае станет ощутимым.
Предлагаемая вниманию читателей АС представляет собой громкоговоритель-фазоинвертор с полезным внутренним объемом 50 л. В качестве низкочастотного излучателя применена сдвоенная головка, составленная из 6ГД-2, в качестве средне- и высокочастотного - соответственно 15ГД-11 и 6ГД-13. Сдвоенная головка установлена на наклонной доске (см. рис. 1, б), образующей вместе с боковыми и нижней стенками ящика рупор, который, по мнению автора, удачней направлен на слушателя, чем в АС фирмы «Jamo» (рис. 1, а). Кроме того, при таком расположении доски со сдвоенной головкой более рационально используется объем ящика, что позволило уменьшить габариты и массу АС.
Основные технические характеристики АС:
Номинальная мощность, Вт ……………………………………… 12
Паспортная мощность, Вт, не менее …………………………. 30
Номинальное электрическое сопротивление, Ом……….. 4
Номинальный диапазон частот, Гц……………………….30…18000
Благодаря применению высокоэффективных низкочастотных головок 6ГД-2 громкость звучания при сравнительно небольшой номинальной мощности (12 Вт) не уступает промышленным АС типа S-90 при подводимой к ним мощности 30 Вт. Что же касается качества звучания, то большинство слушателей отдает предпочтение описываемой ниже АС.
Принципиальная схема АС (за основу взят разделительный фильтр, описанный в ) изображена на рис. 2, конструкция показана на рис. 3. Ящик АС 3 изготовлен из древесностружечной плиты толщиной 20 мм, обклеенной бумагой, имитирующей ценные породы древесины. Сдвоенная головка 17 закреплена на доске 10, среднечастотная (12) и высокочастотная (16) головки - на передней стенке 4. Задняя стенка 15 - съемная. Среднечастотная головка изолирована от остального объема ящика боксом 13, изготовленным из фанеры толщиной 10 мм и закрепленным на стенке 4 с помощью уголков 11 и шурупов. Туннель фазоинвертора 14 внутренним диаметром 50 и длиной 100 мм склеен из четырех слоев электрокартона толщиной 0,5 мм. В отверстии передней стенки 4 он закреплен с помощью клея. Выходное отверстие рупора сдвоенной головки 17 закрыто решеткой (дет. 1, 2), отверстия напротив средне- и высокочастотной головок - соответственно выпуклыми металлическими сетками 6 и 8 с кольцевыми декоративными обрамлениями 5 и 7. Рамка 1 согнута из полосы сечением 5X20 мм из алюминиевого сплава, прутья 2 диаметром 4 мм изготовлены из нержавеющей стали и вставлены на клею в отверстия, просверленные с шагом 20 мм в верхней и нижней сторонах рамки. Кольцевые обрамления отверстий под остальные головки, а также отверстия под туннель фазоинвертора согнуты из полосы сечением 5X10 мм из того же материала. Для крепления обрамления среднечастотной головки 5 предусмотрены четыре шпильки с резьбой М3, вставленные на клею в отверстия диаметром 3,2 и глубиной 7 мм, просверленные в торце кольца со стороны, обращенной к панели 4. До вырезания отверстия под головку 12 в передней стенке по наружному диаметру обрамления 5 с помощью кругореза с резцом и стамеской необходимо выбрать канавку шириной 20 и глубиной 2…3 мм. При сборке вначале закрепляют головку 12, затем с помощью проволочных скобок или гвоздей - сетку 6 и, наконец, устанавливают на место обрамление 5, которое дополнительно прижимает сетку к панели 4. Обрамление 7 высокочастотной головки 16 закрепляют в проточке передней панели клеем. Для придания АС соответствующего вида наружные торцы рамки 1 и обрамлений 5, 7 и 9 необходимо отполировать до зеркального блеска, а их боковые поверхности (как внутренние, так и наружные) - окрасить черной краской. В такой же цвет следует окрасить металлические сетки 6 и 8, внутренние поверхности туннеля фазоинвертора, рупора сдвоенной головки и всю площадь круга под сеткой 6, диффузородержатель нижней головки 6ГД-2, обращенную к слушателю часть диффузородержателя головки 12 и головки крепящих ее винтов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Журенков А. Сдвоенные динамические головки.- Радио, 1979, № 5, с. 48.
2. Проспект фирмы «Jamo». Цюрих, 1985,
3. Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. Высококачественные акустические системы и излучатели.- М: Радио и связь, 1985.
4. Эфрусси М. М. Громкоговорители и их применение. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Энергия, 1976.
5. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем.- Радио, 1987, № ?, с. 29-31.
6. Райкин Л. Сначала достаньте низкочастотные динамики.- Изобретатель и рационализатор, 1985, № 7, с. 40.
7. Райкин Л. И коловорот, и кругорез.- Изобретатель и рационализатор, 1986, № 2, с, 29.
А. ЖУРЕНКОВ, г. Запорожье
