Техника звукоусиления

Громкоговорители

КОМПОНЕНТЫ  ТЕХНИКИ ЗВУКОУСИЛЕНИЯ

В этой главе  дано краткое описание различных  устройств, оборудования и систем (с  учетом их технологической важности в технике звукоусиления), а также  соответствующие технические характеристики. Кроме того, приведены необходимые  для расчетов систем звукоусиления  технические параметры всех основных электроакустических преобразователей.

 

4.1. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

Громкоговорители  разделяют по типу конструкции электромеханического преобразователя (головки) на электродинамические, электростатические и пьезоэлектрические. В технике звукоусиления применяются почти исключительно электродинамические громкоговорители. (Кроме пьезоэлектрических высокочастотных систем, которые используются главным образом для громкоговорителей в музыкальной электронике). Следующие разделы посвящены динамическим громкоговорителям, наиболее часто применяющимся в технике звукоусиления.

 

 

ПРИНЦИП  РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

На рис. изображены основные элементы конструкции динамического  громкоговорителя: звукоизлучающий  диффузор, подвижная катушка на цилиндрическом каркасе и постоянный магнит. Фронтальное  крепление диффузора, достаточно жесткое  для низких частот, называют также  краевым подвесом или круговым гофром. В месте соединения с сердечником  подвижной катушки диффузор центрируется с помощью центрирующей шайбы. Чтобы  диффузор двигался свободно, эти фиксирующие  элементы изготавливают из эластичного  материала, который помимо жесткости  обеспечивает необходимое демпфирование.

Катушка, по которой протекает электрический  ток и которая движется в магнитном  поле, имеет размеры, определяемые механическими, электрическими и температурными условиями. Практическое значение здесь имеют  теплоотвод и термостойкий клей, который используется для соединения катушки и сердечника, испытывающих большое механическое напряжение...

 

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ

Электроакустическая трансформация, осуществляемая  громкоговорителем, определяется различными факторами.

Номинальная мощность Рп — допустимая электрическая мощность, устанавливаемая производителем громкоговорителя на основе конструктивных характеристик. Чтобы определить ее, необходимо провести испытание на долговечность с использованием специального шумового сигнала [4.2, 4.3]. Испытательный сигнал либо включают на 1 мин и выключают на 2 мин, повторяя данный цикл в течение 300 ч, либо подают постоянно в течение 100 ч. В испытании необходимо использовать лимитер, чтобы не искажались случайные всплески испытательного сигнала.

Спектральная  огибающая испытательного сигнала  первоначально была определена на основе статистики амплитуд обычного программного материала. Однако все более широкое  использование электронных инструментов и передача сигналов от инструментов, близко расположенных к микрофону, выявили увеличение процента высокочастотных  составляющих в спектре программ. В связи с этим в начале 1980-х гг. испытательный сигнал был несколько изменен и получил больший подъем спектра в области высоких частот. После появления в 1982 г. публикации МЭК 268-1С (2-е издание) это изменение было внесено в новые стандарты (рис. 4.4). Необходимо помнить, что при использовании указанных испытательных сигналов создается впечатление, будто ВЧ-громкоговорители обладают значительно большей номинальной мощностью, чем это допускается при использовании синусоидального сигнала...

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ  НАПРАВЛЕННОСТИ

Все громкоговорители имеют более или менее выраженную направленность, которая почти во всех случаях зависит от частоты. Эта угловая зависимость излучения  звука характеризуется тремя  количественными величинами, на которых  следует остановиться подробнее.

Коэффициент направленности Г для определенной частоты или полосы частот — это  отношение между звуковым давлением  р для излучения под углом...

 

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН ПЕРЕДАЧИ

В соответствии со стандартом МЭК 268-5 [4.1] диапазон передачи громкоговорителя — это полоса частот, которая может быть использована для передачи звука. Она обычно характеризуется  областью передаточной кривой, в которой  уровень, измеренный на опорной оси  в свободном поле, не снижается  более чем на 10 дБ относительно определенного  опорного уровня; в любом случае он не должен выходить из поля допуска. Это опорное значение является усредненным  в полосе одной октавы, в области  наивысшей чувствительности (или  в более широкой полосе частот, указанной производителем). При определении  верхнего и нижнего пределов передаваемого  диапазона частот пики и провалы  не учитываются, если они лежат в  интервале менее 1/9 октавы (одной  трети треть-октавной полосы). Для определения частотного диапазона наряду с синусоидальным сигналом используется розовый шум. В последнее время применяются импульсные измерительные методы для получения комплексной характеристики передачи, несущей информацию не только об амплитуде, но и о фазе.

Необходимо, чтобы диапазон передачи громкоговорителей  быть определен перед использованием громкоговорителей в системах звукоусиления. У громкоговорителей, предназначенных  для применения в помещении, необходимо учитывать коэффициент осевой концентрации, то есть влияние компоненты диффузного поля на формирование результирующего  звукового давления.

У громкоговорителей  специального назначения, таких как  студийные мониторы, указываются  более узкие допуски на частотную  характеристику. Так, в рекомендации OIRT 55/1 [4.7] в диапазоне от 100 Гц до 8 кГц допускается максимальное отклонение ±4 дБ от среднего значения, а на более  низких частотах (до 50 Гц) и более  высоких (до 16 кГц) поле допуска расширяется  до — 8 и +4 дБ.

 

ТИПЫ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Различные задачи техники звукоусиления решаются с помощью разных типов излучателей, различаемых по размерам и форме  корпусов, форме звукопровода и типам используемой системы возбуждения, а также по размещению и комбинации всех этих компонентов. Такое разнообразие излучателей позволяет получить самые разные характеристики направленности излучения звука, концентрации звука, чувствительности, частотных диапазонов и размеров.

 

ОДИНОЧНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ БЕЗ ЯВНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Среди простейших излучателей можно выделить одиночные  громкоговорители малых размеров и  мощности, используемые в децентрализованных информационных системах при озвучивании  больших плоских помещений или  для создания различных звуковых эффектов в залах универсального назначения. Встраивание этих громкоговорителей  в стену или корпус исключает  «акустическое короткое замыкание», возникающее при сложении излучений передней и задней сторонами диффузора. Для этой же цели можно использовать плоский экран, открытый или закрытый корпус (рис. 4.11).

При использовании  плоского экрана минимальное расстояние от центра громкоговорителя до ближайшего края экрана должно составлять не менее 1/8 длины волны.

В закрытом корпусе колеблющаяся (движущаяся) часть громкоговорителя работает против сравнительно жесткой воздушной  подушки корпуса, что существенно  уменьшает, по сравнению с громкоговорителем  без корпуса, гибкость системы громкоговоритель-корпус (см. рис. 4.2). Поэтому громкоговорители для компактных корпусов снабжают особенно мягкой подвеской диффузора, из-за чего их затруднительно использовать для других целей. Уменьшение гибкости объема воздуха внутри корпуса влияет не только на основной резонанс, но и на эффективность громкоговорителя в диапазоне низких частот.

Громкоговорители  в корпусах с фазоинвертором сейчас редко используют в качестве децентрализованных широкополосных излучателей, чаще —  для больших групп громкоговорителей  высокой мощности. Такие громкоговорители будут подробно рассмотрены в  следующем разделе.

В громкоговорителях, которые должны применяться для  децентрализованного распределения  звука, используют конические диффузоры  диаметром 100...200 мм. У меньших диффузоров значительно уменьшенная номинальная чувствительность, а большие характеризуются направленностью в области высоких частот, которая нежелательна для этих целей. Поэтому громкоговорители   с   большим   диаметром   диффузора   снабжаются

дополнительными устройствами рассеяния (диффузерами), устанавливаемыми перед центром основного диффузора. По этой же причине купольные диафрагмы ВЧ-громкоговорителей более пригодны для излучения высоких частот, чем ВЧ-конусы.

Важным достоинством громкоговорителей, предназначенных  главным образом для использования  в больших распределенных системах, является то, что у них приемлемая цена и они легко устанавливаются.

 

ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ  С ФАЗОИНВЕРТОРОМ

Чтобы улучшить излучение звука громкоговорителями в акустическом оформлении на нижней границе диапазона передачи, в  начале 1950-х годов были разработаны  корпуса с фазоинвертором [4.8]. Они  представляют собой резонаторы Гельмгольца  с гибкостью воздуха, в корпусе  и массой воздуха, в отверстии  и перед ним...

 

ГРУППЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ  С ЛИНЕЙНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ (ЛИНЕЙКИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ, ЗВУКОВЫЕ КОЛОНКИ, ЛИНЕЙНЫЕ ГРУППЫ)

КЛАССИЧЕСКИЕ  ЗВУКОВЫЕ КОЛОНКИ

Для решения  многих задач звукоусиления требуются  излучатели, способные создавать  высокий уровень звука на большом  расстоянии от места их установки...

Недостатки  линейного расположения громкоговорителей:

• требуемый  эффект направленности обеспечивается только ниже

критической частоты, а выше этой частоты возникают  дополнительные

вторичные максимумы;

• направленность является частотно-зависимой [4.15];

• увеличение   направленности   возникает   не   только   в   «области

направленности»,  но также,  с учетом расстояния до отдельных

громкоговорителей,   в   «области   рассеяния».   При   этом   эффект

направленности  колонки на высоких частотах теряется.

Частотно-зависимые  характеристики колонки (или линейного  источника) могут привести к изменению  тембра звучания при перемещении  по ширине и глубине аудитории. Для  устранения или уменьшения этого  недостатка форму линейки громкоговорителей  несколько изменяют, улучшая таким образом характеристики в области высоких частот. Это может быть достигнуто с помощью либо физического изгиба колонки «в форме банана», либо сдвига элементов колонки до 10° вправо и влево (рис. 4.15). В обоих случаях колонка работает по всей длине в области низких частот, а на более высоких частотах эффект интерференции снижается.

Недавнее  предложение уменьшить частотную  зависимость направленности излучения  звуковых линеек и колонок заключается  в подаче на отдельные громкоговорители звукового сигнала с различными фазами и уровнями. По данным Мёзера [4.21], это позволяет в значительной степени устранить частотную зависимость направленности излучения и получить частотно-независимый спектр мощности (рис. 4.16). Однако при этом эффективность колонки или звуковой линейки в области низких частот существенно снижается.

Такое управление фазой и уровнями было разработано  компанией Philips для больших групп громкоговорителей. Компания внедрила в практику различные распределения Бесселя для уровней и фаз, которые создают определенные характеристики направленности групп громкоговорителей без образования на диаграммах дополнительных лепестков.

Такие распределения  Бесселя в настоящее время  используются для мощных, централизованных групп громкоговорителей, устанавливаемых  на концертах поп- и рок-музыки, чтобы достичь оптимального покрытия в залах разного размера.

Для уменьшения нежелательных высокочастотных  боковых лепестков и потенциального рассеяния звука в широкополосные линейки громкоговорителей, в частности, вводят дополнительные ВЧ-громкоговорители, помещаемые в основном в центр звуковой колонки. Это еще один способ расчленения линейки.

Чтобы получить эффект направленности и в диапазоне  частот ниже номинальной эффективности  звуковой колонки, группы громкоговорителей  часто конструируют как излучатели градиента давления. Корпуса снабжают одним или несколькими задними  отверстиями, обладающими определенным акустическим сопротивлением и работающими  как фазосдвигающие элементы. Таким  образом, создается гашение заднего  сигнала и формируется кардиоидная диаграмма направленности [4.22]. При увеличении заднего отверстия возможно также получить двунаправленную диаграмму (в форме восьмерки) (рис. 4.17). Однако для улучшения излучения высоких частот необходимо устанавливать сзади дополнительные ВЧ-громкоговорители.

Не всегда оказывается возможным оптимально установить линейки громкоговорителей  перед аудиторией. В связи с  этим была разработана звуковая колонка  с электронными линиями задержки между отдельными возбудителями [4.23]; виртуальный поворот линейки  громкоговорителей достигается  соответствующим выбором приращений времени задержки. Необходимо наклонять  отдельные громкоговорители на продольной оси линейки, чтобы поддерживать основное направление излучения  линейки и минимизировать изменения  тембра, которые иначе бы возникли (рис. 4.18). Требуемое время задержки зависит от расстояния между отдельными системами и от желаемого поворота виртуальной линейки.

 

ЛИНЕЙНЫЕ  ГРУППЫ

Современные линейные группы громкоговорителей  состоят не из отдельных конусных громкоговорителей, а из линейно  расположенных волноводов длиной 1, которые создают так называемый когерентный волновой фронт. В отличие  от традиционных звуковых колонок, эти  группы излучают в ближней зоне так называемые цилиндрические волны. Эта ближняя зона является частотно-зависимой, и ее формирование справедливо для следующих расстояний...