Корзина
24 отзыва
Надежный продавец Prom.ua
Инсталляционная компания «Велмекс»

Рупоры и ВЧ - громкоговорители

Рупоры и ВЧ - громкоговорители

11.12.13

Вступление

Использование рупоров в высоко - и среднечастотном диапазонах с самого начала легло в основу идеи звукоусиления акустическими методами. Причина этому проста: надежность конструкции и высокая эффективность. Компактная, оснащена рупором, акустическая система может создать на расстоянии десяти метров уровень звукового давления 85 дБ, не искажая при этом общей музыкальной картины. Относительно использования рупоров в области низких частот - достаточно небольшой процент акустических систем (как Hi-Fi, так и Pro) имеют оформления НЧ динамиков в виде рупоров.

История развития рупорных акустических систем начинается с первых дней появления звукового кино. Достижения в области построения рупоров позволили существенно повысить эффективность излучения звука, улучшить направлены свойства рупоров и уменьшить искажения на высоких уровнях воспроизведения.

Как работают рупоры и их головки (драйверы)

Традиционный конический громкоговоритель (или прямой излучатель) излучает звуковую энергию, нагружая свою электромеханическую систему непосредственно на окружающую среду. Такой способ является малоэффективным: для получения акустической мощности 2-3 Вт необходимо 100 Вт электрической, то есть КПД громкоговорителя прямого действия составляет величину 2-3 % (для сравнения, КПД паровоза примерно 5 %). При использовании рупора эффективность воспроизведения звука повышается до 25-30 %. То есть для достижения того же значение акустической мощности нужно уже 10-12 Вт электрической.

Конструкция ВЧ компрессионной динамической головки представлена на рис. 1. Головка состоит из тонкой диафрагмы, расположенной на расстоянии примерно 0.5 мм от фазирующего устройства. Звуковая катушка, что крепится на концах диафрагмы, расположена в мощном поле постоянного магнита. Сферическая поверхность фазирующего устройства имеет концентрические щели, которые проходят через всю конструкцию головки до ее выхода. Отношение общей площади щелей к площади диафрагмы составляет величину порядка 0.1-0.125. Это отношение площадей, что характеризует коэффициент трансформации (компрессии) головки, позволяет максимально согласовать импеданс подвижной системы головки и входное сопротивление горла рупора. Громкоговоритель такого типа максимально оптимизирован для воспроизведения звука на высоких уровнях в широкой полосе частот. На рис. 2 изображена фотография типовой компрессионной головки. Впервые такое конструктивное решение было предложено компанией Western Electric в середине 30-х годов и до сих пор остается основным для создания высокоэффективных профессиональных громкоговорителей. В качестве материала диафрагмы используют алюминий, титан и бериллий.

Рис.1 Конструкция компрессионной динамической головки

Фазирующее устройство также обеспечивает одинаковую длину пробега звуковых волн от различных частей диафрагмы до выходного отверстия. Такое решение позволяет максимально улучшить частотную характеристику в сторону высоких частот за счет уменьшения интерференционных явлений.

Рис.2 Фотография типовой компрессионной головки

На рис.3 изображен громкоговоритель, нагруженный на рупор. Как видно из иллюстрации, площадь поперечного сечения рупора увеличивается от горла до выходного отверстия рупора. Благодаря этому происходит постепенная акустическая трансформация (с увеличением расстояния от горла рупора уменьшается колебательная скорость и растет звуковое давление), то есть импеданс колебательной системы головки постепенно согласуется с сопротивлением излучения воздуха. Ранее в качестве функции (профиля) рупора использовали экспоненциальную зависимость площади поперечного сечения от расстояния:
S(x)=Sпеmx (1.1)
где m - постоянная рупора, х - расстояние от горла рупора, Sп - начальная площадь поперечного сечения горла рупора.

Нижняя граничная частота рупора:
fc=cm/4π (1.2)
где с - скорость звука.
Ниже частоты fc эффективность работы рупора резко снижается. Эмпирически указана частота может быть определена следующим образом: длина волны на частоте среза равна периметру выходного отверстия рупора. Так, например, для получения нижней граничной частоте 500 Гц необходимо иметь периметр рупора примерно 65 см.

Рис.3 Экспоненциальный рупор

Измерения характеристик компрессионных динамиков, обычно, ведут в закрытой трубе, как это показано на рис. 4а. Для предотвращения появления переотражений, со стороны закрытого конца трубы расположены звукопоглощающие материалы. В трубу устанавливается микрофон, что измеряет звуковое давление во время работы громкоговорителя.

Типичные графики измерений приведен на рис. 4б. Как видно из графиков, в однодюймовый трубе при подаче на головку мощности 1 мВт наиболее эффективной (50 % или 120 дБ) есть область, что составляет всего 40 % от всей полосы частот. С повышением частоты, АЧХ головки с определенной частоты начинает падать с наклоном 6 дБ/окт. Точка, с которой начинается наклон АЧХ, носит название - точки критической массы. Также можно отметить, что на частоте 10 кГц КПД громкоговорителя составляет всего 5 %.

Классификация ВЧ динамических головок

Высококачественные компрессионные головки классифицируют по двум признакам:

1. Диаметр диафрагмы:

а) 1”-2” (25-50 мм) - малый формат;

б) 3”-4” (50-100 мм) - большой формат;

2. Долговременная мощность (continuous power rating):

а) 25-50 Вт;

б) 75-100 Вт.

Эти значения являются стандартными в индустрии профессиональных акустических систем. В общем, для конкретно выбранного исходного уровня и конкретного рупора справедливым является утверждение: чем больше диаметр диафрагмы, тем меньшими будут искажения.
Относительно выходного отверстия громкоговорителя: в малоформатных используют
1” (25 мм) выходное отверстие, в крупноформатных 3” (76 мм) и 4” (100 мм) -

1.5” (38 мм) или 2” (50 мм).

Чувствительность комбинации “рупор + громкоговоритель”

Собственно, характеристики самой динамической головки (без рупора) не имеют большой ценности. Именно поэтому измерения этих характеристик проводят при наличии рупора той или иной конструкции. Одной из наиболее важных характеристик любой акустической системы есть характеристическая чувствительность. По общепринятым стандартом чувствительность системы измеряется при подаче 1 Вт электрической мощности и при размещении измерительного микрофона на расстоянии 1 м от громкоговорителя на его оси.