Материал: МРБ 1060.(1983).[doc]

Громкоговорители

Громкоговорителем принято называть комплекс, состоящий из одной или. нескольких динамических головок прямого излучения и акустического офор­мления — деревянного, пластмассового или металлического ящика. Громкогово­ритель является неотъемлемой и весьма важной составной частью любой элек­троакустической системы. От того, насколько правильно выбрана головка и сконструирован громкоговоритель к усилителю НЧ, во многом зависит качество работы электроакустической системы в целом. Практика показывает, что ника­кие ухищрения в усилителе не могут улучшить работу посредственного громко­говорителя. И наоборот, хороший громкоговоритель может обеспечить высокое качество звука при работе со сравнительно простым усилителем НЧ.

Для обеспечения высокого качества звучания электроакустической установ­ки следует применять готовые громкоговорители. Отечественная промышленность выпускает большой ассортимент громкоговорителей, способных удовлетворить. самые различные требования. В табл. 8 сведены основные характеристики наи­более распространенных громкоговорителей. Как же из них выбрать такой, ко­торый лучше всего подойдет для той или иной установки?

В первую очередь для этого необходимо знать номинальную или максималь­ную выходную мощность усилителя НЧ, с которым будет работать громкого­воритель, а также номинальное сопротивление нагрузки усилителя. Номиналь­ная мощность громкоговорителя должна быть в 1,5 — 2 раза больше номинальной мощности усилителя (в крайнем случае равна ей). Выполнение этого требования гарантирует отсутствие перегрузки громкоговорителя, а также способствует снижению искажений звука при работе с полной громкостью. Важно также, чтобы номинальное электрическое сопротивление громкоговорителя было не ме­нее допустимого сопротивления нагрузки усилителя. В противном случае усили­тель на большой мощности будет работать с перегрузкой, появятся искажения звука и возрастет вероятность выхода из строя оконечных транзисторов усили­теля. Если же |указанные требования соблюдены, выбранный громкоговоритель обеспечит надежную работу усилителя и хорошее качество звучания.

Таблица 8

При оценке качества работы громкоговорителя в первую очередь следует сказать о его рабочем интервале частот. Лучшими считают те громкоговорите­ли, которые способны воспроизводить с минимальными искажениями возмож­но более широкий интервал частот. Рабочий интервал частот зависит от числа частотных полос громкоговорителя, если в нем установлено более одной дина­мической головки. Высококачественные громкоговорители имеют две — три поло­сы, а самые простые — всего одну. Из табл. 8 видно, что наиболее широкий ин­тервал частот воспроизводят трехполосные громкоговорители. Например, трех­полосный громкоговоритель 35АС-1 имеет рабочий интервал частот 30 — 20 000 Гц, тогда как однополосный громкоговоритель 8АС-4 — только 100 — 10 000 Гц [В последнее время разработаны и выпускаются промышленностью широ­кополосные головки, на базе которых можно построить однополосные громко­говорители с очень широким рабочим интервалом частот.].

Для любительских конструкций с небольшой выходной мощностью большую-роль играет такой параметр, как среднее стандартное звуковое давление. Это давление, которое развивает громкоговоритель на расстоянии 1 м на его оси при подведении к нему мощности, равной 0,1 Вт. Этот параметр, измеряемый в паскалях (Па), косвенно свидетельствует об относительном КПД громкогово­рителя, т. е. о том, насколько эффективно электрическая мощность сигнала пре­образуется в акустическую. В среднем можно считать, что стандартное давле­ние 0,2 Па соответствует КПД, равному 1%. Сам КПД пропорционален квад­рату стандартного давления, поэтому громкоговорители, развивающие стандарт­ное давление 0,1 Па, оказываются в 4 раза хуже по эффективности использова­ния электрической энергии, чем те, у которых оно равно 0,2 Па.

Сравним два громкоговорителя, одной и той же номинальной мощности, на­пример, 20АС-1 и 20АС-2. У первого стандартное давление 0,25, а у второго — 0,15 Па. Значит, первый громкоговоритель имеет отдачу в 2,6 раза большую, чем второй. Но зато у первого громкоговорителя уже рабочий интервал частот — от 63 Гц до 18 кГц вместо 40 Гц — 18 кГц у второго. Поэтому громкоговори­тель 20АС-1 целесообразно использовать совместно с усилителем относитель­но небольшой мощности, например, 6 — 8 Вт, тогда как 20АС-2 — с усилителем на 12 — 15 Вт.

Простые громкоговорители

В тех случаях, когда громкоговоритель с требуемыми характеристи­ками приобрести не представляется возможным, его придется изготовить са­мостоятельно. Для этого потребуется одна или несколько однотипных динами­ческих головок и сравнительно несложное акустическое оформление — деревян­ный ящик. В любительских условиях лучше всего использовать широкополос­ные динамические головки. Во-первых, они есть в прейскуранте базы Посылтор-га, часто бывают в розничной продаже и относительно недороги. Во-вторых, громкоговорители с широкополосными динамическими головками проще в изготовлении, чем громкоговорителя, в которых используют несколько различных го­ловок. Правда, самодельные громкоговорители на базе широкополосных головок имеют рабочий интервал воспроизводимых частот уже, примерно от 50 — 60 Гц до 14 — 16 кГц.

Внешне громкоговорители как промышленного изготовления, так и само­дельный чаще всего «формляют в виде параллелепипеда. Лицевую панель дра­пируют неплотной хлопчатобумажной или синтетической тканью. Ящик громко­говорителя изготовляют из досок или древесностружечных плит толщиной 15 — 20 мм.

Для самодельных громкоговорителей можно использовать динамические го­ловки, перечень и характеристики которых приведены в табл. 9. Первые цифры в обозначении головки указывают на ее номинальную мощность.

Выбор головок и их числа в громкоговорителе определяется его назначе­нием и требуемой номинальной мощностью. При этом необходимо иметь в виду и номинальное сопротивление головки, и сопротивление громкоговорителя в це­лом. Если в нем предполагается использовать только одну головку, ее номи­нальная мощность должна быть не меньше номинальной мощности усилителя НЧ, с которым громкоговоритель будет работать, а сопротивление головки дол­жно быть не меньше минимального сопротивления нагрузки усилителя. Как показывает практика, лучше всего для такого громкоговорителя подходит че­тырехваттная головка 4ГД-4, 4ГД-35 или 4ГД-36. В крайнем случае можно ис­пользовать головку ЗГД-38Е.

Таблица 9

Нужно отметить, что динамические головки выдерживают значительные пе­регрузки по подводимой мощности. Так, головки новых разработок ЗГД-38Е, 4ГД-35, 4ГД-36 в паспорте имеют и такой параметр, как паспортная мощность. Паспортная мощность головки ЗГД-38Е — 5 Вт, а головок 4ГД-35 и 4ГД-36 — по 8 Вт. За рубежом аналогом паспортной мощности головок является их макси­мальная мощность.

Но несмотря на имеющийся запас механической прочности, не следует пере­гружать головку, поскольку при этом уровень нелинейных искажений звуко­вого сигнала заметно повышается. Обычно коэффициент нелинейных искажений головки на номинальной мощности не превышает 5 — 10%. При достижении паспортной мощности коэффициент нелинейных искажений может достичь значе­ния, когда они становятся заметными на слух.

В тех случаях, когда требуется создать громкоговоритель номинальной мощ­ностью большей, чем допускает одна головка, устанавливают несколько одинаковых головок (обычно две — четыре), электрически соединенных между собой последовательно, параллельно или смешанно. Номинальная мощность такого громкоговорителя равна сумме номинальных мощностей головок.

Было бы ошибкой считать, что наличие даже самых лучших головок гаран­тирует высокое качество громкоговорителя. Для этого необходимо еще подо­брать соответствующее акустическое оформление, т. е. оптимальную для этих головок конструкцию ящика громкоговорителя. Кроме лицевой панели, на ко­торую устанавливают головку или несколько головок, боковых, задней, нижней и верхней панелей, конструкция ящика может включать в себя и внутренние перегородки, различные поглощающие покрытия и другие детали. Существует несколько разновидностей акустического оформления громкоговорителя, имею­щих свои особенности конструкции, достоинства и недостатки.

В первую очередь общая конструкция громкоговорителя определяется чис­лом его головок. Если головок в нем несколько и они размещены близко одна к другой, то такой громкоговоритель называют групповым излучателем. На­звание это означает, что на низших частотах и частично на средних диффузоры головок колеблются почти синфазно, из-за чего акустическая отдача громкого­ворителя увеличивается. На самых низких частотах увеличение отдачи кратно числу головок.

Эту особенность групповых излучателей давно и эффективно используют в профессиональной звукоусилительной технике, например, в кинотеатральных ус­тановках, а в последнее время и в любительских конструкциях. Рабочий янтер-вал воспроизводимых частот таких громкоговорителей расширен снизу по срав­нению с громкоговорителями с одной головкой. Вместе с этим эффективность воспроизведения низших частот во многом зависит от размеров и конструкции ящика громкоговорителя. В среднем можно считать, что для понижения нижней границы рабочего интервала воспроизводимых частот нужно увеличивать раз­меры ящика.

Тем не менее известны конструкции громкоговорителей, которые при отно­сительно небольших внешних размерах ящика имеют весьма малое значение низ­шей воспроизводимой частоты. На рис. 57 представлены различные варианты конструкции акустического оформления для одной головки. Громкоговорители с несколькими головками могут быть устроены подобным образом. Самый про­стой вариант представляет собой ящик без задней стенки (рис. 57,а). Головка установлена на передней панели ящика раскрывом диффузора вперед, по на­правлению к слушателю. Звуковые колебания, возбуждаемые тыльной поверх­ностью диффузора, находятся в противофазе с колебаниями от передней его поверхности. Для того чтобы полезные акустические колебания от передней поверхности диффузора не были подавлены в результате наложения на них колебаний от тыльной поверхности, ящик должен быть глубоким настолько, чтобы акустические волны от тыльной стороны диффузора достигали плоскости передней панели с определенной задержкой по сравнению с прямыми волнами, т. е. со сдвигом по фазе. На самой низкой воспроизводимой частоте этот сдвиг должен составлять 90°, для более высокой частоты он будет большим.

Громкоговорители без задней стенки хорошо реализуют энергетические воз­можности головки, но имеют один недостаток: на качество их работы влияет на­личие стен и других предметов, находящихся вблизи заднего отверстия ящика. Поэтому такие громкоговорители приходится устанавливать не ближе 30 — 40 см от стены.

От указанного недостатка свободны громкоговорители с задней стенкой или замкнутые громкоговорители. Громкоговоритель может представлять собой гер­метизированный ящик, на передней панели которого установлена динамическая головка (рис. 57,6). Во избежание нежелательных отражений звука от внутрен­ней поверхности ящика, ее покрывают толстым слоем звукопоглощающего мате­риала (натуральной или минеральной ваты, шерсти, войлока и др.). Но такому громкоговорителю присущ другой недостаток — повышение резонансной частоты примерно в 2 — 3 раза и связанное с этим сужение рабочего интервала частот. Этот недостаток устраняют применением специальных компрессионных головок, имеющих очень низкую собственную резонансную частоту, всего 15 — 25 Гц. По­сле установки в замкнутый ящик их резонансная частота увеличивается до при­емлемого значения: 50 — 60 Гц.

Компрессионные головки, кроме того, что они относительно дороги и дефи­цитны, имеют еще один большой недостаток — низкий КПД. Лучшие компрес­сионные головки развивают стандартное звуковое давление не более 0,1 Па_г т. е. их КПД примерно в 4 раза меньше, чем у обычных головок со стандарт­ным давлением 0,2 Па. Для работы таких громкоговорителей требуются боль­шие мощности, обычно не менее 10 — 20 Вт, а громкость звучания при этом бу­дет не больше, чем у громкоговорителя на 3 — 4 Вт с обычными головками. Но зато такой громкоговоритель будет иметь сравнительно малые размеры.

А нельзя ли сделать громкоговоритель, свободный от указанных недостат­ков? Можно! Это — громкоговоритель с фазоинвертором, устройство которого-показано на рис. 57,в. В передней панели этого громкоговорителя имеется еще одно отверстие сечением, близким к площади раскрыва диффузора головки или несколько меньшим. Это отверстие по форме может быть круглым или прямо­угольным. Отверстие является устьем трубы-тоннеля, прикрепленного изнутри ящика к передней панели.

Основным достоинством фазоинвертора является то, что акустические коле­бания, возбуждаемые тыльной поверхностью диффузора, на выходе из отвер­стия на определенных частотах оказываются в фазе с колебаниями, создаваемы­ми передней поверхностью диффузора. В результате эффективность работы громкоговорителя существенно увеличивается. Обычно подбирают размеры ящи­ка (точнее — его внутренний объем), сечение отверстия фазоинвертора и длину тоннеля таким образом, чтобы поворот фазм на 180° тыльного излучения головки соответствовал частоте, близкой к резонансной частоте головки. При выпол­нении этого условия происходит расширение рабочего интервала воспроизводи­мых частот вниз.

Раньше рабочую длину тоннеля фазовращателя выбирали равной толщине передней панели ящика, поэтому динамическую головку согласовывали с фазо-инвертором выбором площади отверстия фазоинвертора и внешних размеров ящика. В результате громкоговорители были очень громоздкими. Сейчас широко используют в фазоинверторе тоннель, удлиняющий путь акустических волн пе­ред выходом из ящика. Меняя длину тоннеля, можно весьма точно подобрать параметры ящика громкоговорителя применительно к конкретной головке даже при сравнительно небольших его размерах.

Следует указать, что точный расчет размеров ящика громкоговорителя с фазоинвертором очень сложен. Поэтому в любительских условиях удобно поль­зоваться номограммой, приведенной на рис. 58. Она однозначно связывает меж­ду собой внутренний объем ящика громкоговорителя, резонансную частоту ди­намической головки, площадь отверстия фазоинвертора и длину тоннеля. О том, как пользоваться номограммой, будет рассказано ниже, при рассмотрении кон­струкций самодельных громкоговорителей.

Наиболее сложны по устройству громкоговорители с лабиринтом (см. рис. Б7,г) и с рупором (см. рис. 57,(5). Здесь так же, как и в фазоинверторе, исполь­зованы колебания, возбуждаемые тыльной стороной диффузора для увеличения отдачи на самых низких частотах. Лабиринт увеличивает длину пути, пробега­емого акустической волной внутри ящика. Характерной особенностью лабиринта является то, что площадь его поперечного сечения на всем протяжении остает­ся почти постоянной. При этом общая длина пути звуковой волны должна быть равна четверти длины волны на самой низкой частоте рабочего интервала час­тот, обычно равной частоте собственного резонанса головки. Расчет показыва­ет, что при резонансной частоте 80 Гц длина лабиринта должна быть равна 1 м, при 40 Гц — 2 м, при 20 Гц — 4 м. Таким образом, на самых низких час­тотах длина лабиринта получается значительной.

В громкоговорителе с рупором также установлено несколько перегородок для увеличения длины пути, проходимого акустической волной, возбуждаемой тыльной поверхностью диффузора, но при этом поперечное сечение лабиринта не остается неизменным, а увеличивается по мере приближения к выходному отверстию. Такая конструкция лабиринта позволяет сравнительно плавно согла­совать относительно высокое давление за головкой с атмосферным давлением на выходе рупора, что дает повышение эффективности преобразования электричес­кой мощности в акустическую на низших частотах. Длина рупора должна быть возможно большей.