Громкоговорители. Классификация и основные параметры

Громкоговорители. Классификация и основные параметры
Громкоговоритель и телефон - это устройства для преобразования электрических колебаний в
звуковые, акустические колебания воздушной среды. Поскольку громкоговорители и телефоны
являются последними звеньями любого радиовещательного (звуковоспроизводящего) тракта или
линии связи, то их свойства оказывают решающее влияние на качество работы в целом.
Акустическая система - устройство для эффективного излучения звука в окружающее
пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей,
необходимое акустическое оформление, необходимые электрические устройства (фильтры,
трансформаторы, регуляторы и т.п.).
По способу преобразования громкоговорители и телефоны подразделяются на
электромагнитные (в основном телефоны), электродинамические катушечные, изодинамические,
электростатические, пьезоэлектрические и некоторые другие. По виду излучения звука
громкоговорители подразделяют на громкоговорители непосредственного излучения
(диффузорные, куполообразные, ленточные) и рупорные. Различают громкоговорители по
потребляемой электрической мощности (мощные, маломощные), а также и по чувствительности.
Громкоговорители характеризуются большим числом параметров, основные из которых
приведены ниже.
Номинальное электрическое сопротивление - заданное в нормативно-технической
документации активное сопротивление громкоговорителя при определении подводимой к нему
электрической мощности.
Номинальная мощность - заданная электрическая мощность, при которой нелинейные
искажения громкоговорителя не должны превышать требуемые.
Частотная характеристика по звуковому давлению - графическая или численная зависимость от
частоты уровня звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенной точке
свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра, при постоянном
значении напряжения на выводах громкоговорителя.
Характеристическая чувствительность - среднее звуковое давление, развиваемое
громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1м
от рабочего центра и проводимой электрической мощности 1 Вт.
Неравномерность частотной характеристики звукового давления - разность максимального и
минимального значений уровней звукового давления (отношение максимального звукового
давления к минимальному, выраженное в децибелах) в заданном диапазоне частот.
Диаграмма направленности - графическая зависимость в условиях свободного поля уровня
звукового давления для данных частоты (полосы частот) и расстояния от рабочего центра
громкоговорителя от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением в точку
измерения.
Приведенный коэффициент полезного действия - отношение акустической мощности,
излучаемой громкоговорителем на данной частоте (полосе частот), к подводимой электрической
мощности.
Собственная резонанснаячастота головки - частота, прикоторой значение модуля
полногоэлектрического сопротивления имеет свойпервый максимум.
Переходная и импульсная характеристики.
Переходная и импульсная характеристики (ПХ, ИХ) АС являются, возможно, одними из самых
важных. Для других частей звуковоспроизводящего тракта (например, для всех видов линейных
усилителей, в какой бы части тракта они не применялись, - предварительных, мощности,
устройствах звукозаписи, СD-плейерах и т. д.) параметры этих характеристик измерялись давно.
В отношении АС такие измерения стали нормой сравнительно недавно. Что же они могут сказать
о характеристиках АС? При правильной интерпретации переходной и импульсной характеристик
можно узнать:

о синхронности работы головок;

о порядке применяемых разделительных фильтров;

о степени задержки (накопления) энергии в разделительных цепях;

о линейности частотной и фазовой характеристик; – о наличии или отсутствии
задержанных резонансов.
По импульсной характеристике можно рассчитать АЧХ и ФЧХ АС. Такую возможность
предоставляют практически все измерительные системы, применяющие цифровую обработку
сигналов.
Как было показано выше, существует множество вариантов формирования переходной
характеристики АС. Для закрытых систем она зависит от добротности головки в акустическом
оформлении (Qtc). Для систем с фазоинвертором - от типа аппроксимации, выбранного для
конкретной головки. Здесь уместно провести аналогию с теорией усилителей, охваченных
обратной связью, из которой известно, что переходная характеристика содержит очень много
информации о свойствах устройства как во временной, так и в частотной областях. По наклону
фронта можно оценить скорость нарастания выходного сигнала, по выбросам - запас
устойчивости, по колебаниям на вершине импульса - время установления.
В отношении АС все гораздо сложнее. Во-первых, резонансы головок лежат в звуковом
диапазоне, во-вторых, имеется по крайней мере две системы (головки), имеющие различные
переходные характеристики (рис.1. 1 – отклик ВЧ головки, 2 – отклик НЧ/СЧ головки). Поэтому,
если разработчик ставит перед собой задачу получения приемлемой ПХ АС, он обязан всеми
доступными средствами обеспечить согласование головок во временной и фазовой областях. На
общую ФЧХ основное влияние оказывают тип кроссовера, специальные корректирующие цепи и
фазочастотные свойства самих головок.
Рис. 1. Отклик на "ступеньку" двухполосной АС.
Теоретически, только системы на основе фильтров первого порядка позволяют получить
приемлемую ПХ (на оси АС). Например, на рис. 2 и 3 приведены ПХ времякогерентной
четырехполосной АС (отклик головок синхронный) и типичной трехполосной с фильтрами
Линквица-Райли (1,2,3 – отклики соответственно ВЧ, СЧ и НЧ головок). Однако на практике
бывают исключения. Например, модель ТС-60 фирмы Spica Loudspeakers имеет хорошую
переходную харктеристику при ФНЧ четвертого порядка (аппроксимация Бесселя). В
высокочастотном же ее звене применен фильтр первого порядка.
Рис. 2. Реакция четырехполосной времякогерентной АС на "ступеньку".
Рис. 3. Отклик на "ступеньку" типичной трехполосной АС с фильтрами четвертого порядка.
Временное согласование головок (time coherence) разумно с точки зрения здравого смысла.
Центры излучения у ВЧ, СЧ, НЧ головок, закрепленных на вертикальной плоскости, находятся на
разном расстоянии от слушателя. Для ВЧ и НЧ головок разность хода звуковых волн может
достигать 15 см и более (считается, что центр излучения головки приблизительно совпадает с
местом расположения звуковой катушки). С теоретической точки зрения существуют несколько
способов по выравниванию излучений головок разных частотных полос:

смещение ВЧ и СЧ головок от вертикальной плоскости в глубину (вариант - наклон
передней панели);

применение фазовых фильтров с линейной ФЧХ (линией задержки). Их реализация
возможна на сонове пассивных элементов RL в кроссовере или с помощью активных
кроссоверов, реализованных на ОУ и RC цепях;

применение цифровых технологий (цифровые фильтры корректоры и линии задержки для
каждой из полос АС);

комбинация приведенных выше методов.
Реализация аналоговых линий задержки (АЛЗ) в звуковом диапазоне частот возможна с
помощью пассивных и активных схем. Пассивные АЛЗ можно реализовать на основе Т-образных
фазовых звеньев второго порядка с линейной ФЧХ. Однако расчеты показывают, что для
обеспечения времени задержки порядка 150 – 300 мкс (типичное значение для двухполосных
систем с фильтрами первого порядка) и выполнения требования малой неравномерности ФЧХ в
диапазоне до 25 кГц необходимо 6-8 таких звеньев. Общее число пассивных компонентов может
быть более полусотни. Кроме точной настройки цепи, требующей огромных затрат труда, на пути
сигнала придется поместить несколько десятков пассивных элементов. Это не может не сказаться
на качестве звука. Требование высокого качествах пассивных цепей может увеличить стоимость
АС более чем в несколько раз. При попытке реализовать АЛ3 в виде активных цепей (на ОУ и RC
элементах) можно столкнуться с теми же проблемами. Количество ОУ и пассивных компонентов
фазовых фильтров превысит все разумные пределы. И хотя трудоемкость настройки активных
цепей меньше, чем пассивных, но она также достаточно велика. Поэтому практически
нецелесообразно применять в кроссоверах АС АЛ3. Можно утверждать, что на сегодня сложилась
довольно противоречивая ситуация, когда даже создатели цифровых, линейных и акустических
кабелей (Monster Cable подчеркивает это в каждой рекламе) производят свои изделия с учетом
получения линейного времени групповой задержки (ГВЗ), в то время как большинство
конструкторов АС совершенно не озабочены этой проблемой (временное согласование и
линейная ФЧХ). Понятие группового времени задержки характеризует неравномерность
прохождения сигналов разхных частот через исследуемое устройство.
Системная модель громкоговорителя
Громкоговоритель представляет собой сложный электромеханоакустический преобразователь,
в котором происходят линейное и нелинейное преобразование сигнала U(t), подводимого в виде
напряжения от усилителя в распределенное в пространстве звуковое давление. Если входной
сигнал представляет собой аналог реального музыкального или речевого сигнала, он имеет
сложную временную нестационарную структуру (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Вид входного сигнала
Основная задача при проектировании акустических устройств, в которые входят
громкоговорители, состоит в том, чтобы обеспечить неискаженную передачу временной структуры
входного сигнала (технически реализуемой является задача передачи временной структуры
сигнала с искажениями ниже порогов слышимости). Именно это условие выдвигает требования к
неискаженной передаче частотного и динамического диапазона сигнала, а отсюда к уровню
линейных и нелинейных искажений в громкоговорителях.
Рис. 4.2. Системная модель громкоговорителя
Функционально громкоговоритель может быть представлен в виде системной модели (рис. 4.2),
состоящей из:

электромагнитного преобразователя - «магнитная цепь + звуковая катушка»,
преобразовывающего подводимое напряжение U(t) в переменный ток I(t) и в
электромеханическую силу F(t);

механического преобразователя - «подвижная система громкоговорителя»,
осуществляющего линейное и нелинейное преобразование силы F(t) в распределенное по
поверхности механическое смещение u*;

акустического преобразователя - «излучающая диафрагма + воздушная среда»,
преобразовывающего смещения u* в распределенное в пространстве звуковое давление
p(R, t).
Все эти подсистемы оказывают как прямое, так и обратное влияние друг на друга.
Рис. 4.3. Амплитудная характеристика громкоговорителя.
Работу громкоговорителя можно проиллюстрировать с помощью графика (рис. 4.3). Он
показывает, как диффузор громкоговорителя отклоняется от условной средней линии положения
покоя. Из графика видно, что чем больше ток, тем дальше отклоняется диффузор, а токам
разного направления соответствует отклонение в разные стороны (вперед-назад). Приведенный
график называют амплитудной характеристикой. Появление загибов на графике объясняется
достаточно просто - ток не может беспредельно отклонять диффузор. Диффузор закреплен
достаточно прочно, и амплитуда его отклонений ограничена. До тех пор пока громкоговоритель
работает на линейном участке и отклонение прямо пропорционально току, преобразование "ток звук" происходит без нелинейных искажений.
Громкоговоритель не может одинаково хорошо преобразовать в звук переменные токи разных
частот (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Частотная характеристика громкоговорителя.