3.5.1. Рекомендации по применению головок громкоговорителей в зависимости от полосы воспроизводимых частот
Широкополосные головки громкоговорителей
К широкополосным можно отнести ГГ, имеющие эффективный рабочий диапазон частот от 40...125 Гц до 7100...8000 Гц и шире. Широкополосные ГГ разрабатываются для применения в массовой бытовой РЭА (БРЭА) и при сравнительно невысокой стоимости обеспечивают хорошее качество звучания в ограниченных объемах аппаратуры.
В качестве широкополосных преимущественное распространение получили ГГ электродинамического типа прямого излучения. Широкополосные ГГ применяются в БРЭА по одной или несколько штук в зависимости от назначения и класса аппаратуры. В том случае, если применяют несколько однотипных головок, то их резонансные частоты выбирают не одинаковыми. Поэтому многие из широкополосных ГГ имеют два значения резонансной частоты и соответствующие этим значениям два эффективных рабочих диапазона воспроизводимых частот.
Широкополосные ГГ располагают на передней стенке акустической системы БРЭА.
Характеристика направленности широкополосных ГГ зависит от воспроизводимой частоты: на частотах в начале диапазона она имеет форму, близкую к кругу, а в конце диапазона принимает форму сильно вытянутого лепестка. Это обстоятельство является одной из причин желательного применения в АС не менее двух широкополосных ГГ с несколько разнесенными рабочими осями. При применении двух однотипных, но разных по частоте резонанса ГГ их результирующее звуковое давление складывается, низшая эффективно воспроизводимая частота понижается, а неравномерность частотной характеристики уменьшается за счет того, что отдельные пики и провалы частотных характеристик разных ГГ не совпадают и результирующая кривая частотной характеристики выравнивается.
Характеристика направленности — зависимость звукового давления, развиваемого ГГ на частоте f или в полосе частот со средней частотой f, в точках свободного поля, находящихся на определенном расстоянии от рабочего центра ГГ, от угла между рабочей осью и направлением на указанные точки.
Рекомендации по применению широкополосных электродинамических ГГ прямого излучения:
- паспортная мощность до 0,5 Вт — в малогабаритной переносной БРЭА;
- паспортная мощность до 2 Вт — в малогабаритной стационарной и переносной БРЭА;
- паспортная мощность до 6 Вт — в стационарной монофонической, автомобильной БРЭА, а также в телевизионных приемниках;
- остальные в выносных АС.
Низкочастотные головки громкоговорителей
К ним можно отнести ГГ с частотой резонанса от 80 Гц и ниже. Такие ГГ могут обеспечить эффективное воспроизведение звуковых частот от 20...60 Гц и выше в диапазоне 5...6 октав.
В качестве низкочастотных применяются ГГ электродинамического типа прямого излучения.
В принципе для воспроизведения низших частот могут быть применены ГГ любого типа. Например, излучающая площадь электростатической ГГ, необходимая для того, чтобы получить в среднем такое же звуковое давление, как у электродинамических ГГ, для частоты fр = 63 ГЦ должна быть около 2 м. Необходимость в большой излучающей площади для электростатических ГГ объясняется тем, что их конструкция не позволяет получать большие амплитуды колебаний излучающего элемента.
В пьезокерамических ГГ также невозможно получить большие амплитуды колебаний излучающих элементов. Следовательно, для низкочастотных ГГ этого типа требуется излучающая площадь примерно такого же порядка, как и для электростатических ГГ, что невозможно конструктивно выполнить в одной ГГ. Однако из этого следует, что для воспроизведения низших частот эти ГГ не могут быть применены.
Поскольку большую плошадь излучающей поверхности можно получить путем синфазного включения нескольких близко расположенных излучателей, то для воспроизведения низших частот можно применять групповые излучатели, состоящие из нескольких ГГ. Например, ГГ с низшей частотой 60 Гц при соединении в группу из четырех штук при подведении мощности, равной номинальной мощности одной ГГ, обеспечивают низшую частоту около 40 Гц.
Следовательно, вопрос о применении для воспроизведения низших частот определенного типа сводится к экономическому вопросу — что выгоднее? В этом отношении неоспоримые преимущества остаются пока за ГГ электродинамического типа.
Следует отметить, что частота резонанса ГГ электродинамического типа зависит от величины электрической подводимой мощности. При снижении мощности частота резонанса несколько уменьшается.
При применении низкочастотных ГГ главной проблемой является их акустическое оформление. Реализовать все возможности воспроизведения низших частот можно лишь при условии размещения ГГ в большом экране или ящике, исключающем влияние излучения обратной стороны диффузора.
Практически ГГ удобнее располагать не в плоском экране, а в ящике, служащем одновременно корпусом РЭА, в котором размещены элементы схемы. При этом корпус может иметь как открытую, так и закрытую заднюю стенку. Корпус радиоприемника или телевизора, имеющий тонкую перфорированную заднюю стенку, считают открытым ящиком. Закрытой задней стенкой можно считать толстую, плотно подогнанную стенку, исключающую проникновение волн изнутри ящика.
Размеры акустического оформления, открытого с задней стороны (экран, ящик без задней стенки), необходимые для эффективного воспроизведения низших частот, весьма велики. Размеры ящика могут быть значительно уменьшены, если исключить влияние противофазного излучения обратной стороны диффузора ГГ при размещении последнего в ящике с закрытой задней стенкой. Это приводит, однако, к повышению резонансной частоты ГГ за счет влияния упругости объема воздуха внутри ящика.
Стенки ящика должны быть толстыми (10...30 мм), плотными и оклеенными хорошим звуко- и вибропоглощающим материалом. ГГ для малогабаритных АС с закрытыми объемами должны иметь диффузоры малых диаметров. Кроме того, для получения более низкой резонансной частоты необходимы большая активная масса и малая упругость подвеса подвижной системы ГГ.
Низкочастотные ГГ обычно располагают в нижней части передней стенки акустического ящика, хотя место их расположения принципиального значения не имеет, поскольку характеристика направленности излучения у этих ГГ мало отличается от окружности.
Если применяют в одной АС несколько низкочастотных ГГ с одинаковым электрическим сопротивлением звуковых катушек, их соединение предпочтительнее выполнять параллельным. При этом происходит взаимное электрическое демпфирование ГГ, что уменьшает длительность переходных процессов в их подвижных системах и улучшает качество звучания. Частоты резонанса отдельных ГГ в этом случае должны быть различными и выбраны так, чтобы частотные характеристики модулей их полного электрического сопротивления пересекались при малых значениях.
Продолжительность переходных процессов или собственных затухающих колебаний диффузора на частоте резонанса зависит от добротности ГГ.
При значении добротности 0,5 и менее собственные колебания подвижной системы ГГ не возникают и переходной процесс становится апериодическим. Искажения, вносимые ГГ, уменьшаются, однако уменьшается и величина звукового давления на частотах в области резонанса.
Если значения добротности более 2, звуковое давление на частоте резонанса значительно возрастает, но на более высокой частоте (примерно, 5 fр) резко падает, а затем снова возрастает.
ГГ с высокой добротностью при работе контрастно подчеркивают «басы», причем это часто сопровождается большими искажениями (неприятный хриплый звук). Исходя из этого, наиболее оптимальной величиной добротности низкочастотных ГГ следует считать Q = 1...1,5.
По устаревшим стандартам значения добротности не включались в технические характеристики ГГ, однако на некоторые ГГ, снятые с производства, приводится значение индукции в рабочем зазоре магнитной цепи (В3). Зная значение В3, нетрудно определить значение добротности ГГ (Q), определяемой по формуле:
где
- m — активная масса, кг;
- R — электрическое сопротивление звуковой катушки, Ом;
- В3 — индукция в рабочем зазоре магнитной цепи, Вб/м2;
- l — активная длина провода звуковой катушки, м.
Значение R можно измерить непосредственно на клеммах ГГ, а значение f0, если оно не приведено в технических характеристиках, определить, подключив ГГ по схеме измерения частоты основного резонанса по модулю полного электрического сопротивления согласно рис. 1. Медленно повышая частоту генератора, определяют то ее значение, при котором электронный вольтметр 4 показывает первый по частоте минимум напряжения. Данная частота является частотой основного резонанса f0. Величина сопротивления резисторов R1 и R2 одинаковая и равна электрическому сопротивлению звуковой катушки.
Активную длину провода l можно определить следующим образом. ГГ ставят горизонтально вверх диффузором и фиксируют положение какой-либо точки диффузора около звуковой катушки. Затем диффузор нагружают грузом и к выводам звуковой катушки через миллиамперметр и реостат подключают источник постоянного тока. Направление и силу тока устанавливают такими, чтобы диффузор, просевший вниз под воздействием груза, восстановил свое первоначальное положение. При ЭТОМ фиксируют ток, протекающий через звуковую катушку, по показанию миллиамперметра. Активную длину провода звуковой катушки определяют по следующей формуле:
где
- l — активная длина провода, м;
- mг —масса груза, кг;
- I — ток, протекающий через звуковую катушку, А;
- В3 — индукция в рабочем зазоре магнитной цепи, Вб/м2.
Рис. 1. Схема измерений частоты основного резонанса по модулю электрического сопротивления:
Активную массу определяют по изменению частоты механического резонанса ГГ. Для этого измеряют частоту резонанса ГГ f0. Затем около вершины диффузора прикрепляют груз симметрично оси диффузора (например, кольцо или шарики из пластилина) и вторично определяют частоту резонанса f'0. Активную массу находят по следующей формуле:
где
- mг — масса груза, кг;
- f0. f`0 — частота, Гц.
От правильного применения низкочастотных ГГ в АС в значительной степени зависит субъективное восприятие качества звучания музыкальных программ.
Среднечастотные головки громкоговорителей
К среднечастотным относят ГГ с эффективным рабочим диапазоном частот примерно от 200...4000 до 5000...7000 Гц и уже (не более 4...4,5 октав).
В качестве среднечастотных в принципе могут быть использованы ГГ всех систем, однако наибольшее распространение получили электродинамические громкоговорители как прямого излучения, так и рупорные. Менее распространены электростатические ГГ, хотя площадь излучающей поверхности ГГ такого типа для низшей частоты среднечастотного диапазона f = 500 Гц составляет примерно 0,04 м2. При этом размеры электростатической ГГ примерно равны 250X250 мм и небольшой глубине, что соизмеримо с размерами электростатических ГГ. Стоимость электростатической ГГ приблизительно такая же, как и электродинамической, а акустические параметры и особенно качество звучания — гораздо выше.
Пьезокерамические ГГ в принципе пригодны для воспроизведения частот, но имеют два крупных недостатка: малую мощность и низкую тепловую и механическую прочность. По этой причине практического применения не находят.
Рекомендации по применению среднечастотных электродинамических ГГ прямого излучения те же, что и для низкочастотных.
Высокочастотные головки громкоговорителей
К высокочастотным относят ГГ, имеющие эффективный рабочий диапазон от 1000...5000 до 12 500...20 000 Гц.
В качестве высокочастотных ГГ могут применяться электродинамические, электростатические, пьезокерамические и ионные ГГ. Наибольшее распространение получили электродинамические и электростатические ГГ.
Высокочастотные ГГ применяются только в выносных АС. Отличительной чертой высокочастотных ГГ является очень острая характеристика направленности их излучения. Для получения более широкой характеристики направленности в АС обычно используют несколько ГГ, рабочие оси которых разнесены на некоторое расстояние или находятся под углом друг к другу (ГГ развертывают веером).
При применении высокочастотных ГГ в АС следует иметь в виду, что их размещение в ящиках вместе с мощными низко- или среднечастотными ГГ может вызвать ухудшение эффективности воспроизведения высоких частот и появление интермодуляционных нелинейных искажений в области высоких частот. Причина этого заключается в том, что мощные низкочастотные ГГ при работе создают довольно значительные периодические сжатия и разряжения воздуха внутри ящика. Под воздействием перепада давлений внутри и снаружи ящика подвижные системы менее высокочастотных ГГ могут изменять свое положение, а вместе с ним и характеристики излучения, что приводит к модуляции сигнала его низкочастотными составляющими.
В связи с этим высокочастотные ГГ размещают в специальных отдельных отсеках ящика или закрывают их металлическими колпаками, снабженными прокладками для плотного прилегания к отражательной доске. Для повышения эффективности воспроизведения высших частот высокочастотные ГГ часто снабжают рупорами, длина которых может быть в этом случае незначительной.