В послевоенные годы в связи с широким внедрением новой техники в радиовещании и звукозаписи — передатчики КВ и УКВ диапазонов с частотной модуляцией, долгоиграющие пластинки, высококачественные магнитофоны и т. п. — возникла проблема высококачественного звуковоспроизведения. Существовавшая раньше приемо-усилительная аппаратура не позволяла реализовать все возможности этих новых видов вещания и звукозаписи. Это послужило причиной разработки новых звуковоспроизводящих систем, с помощью которых возможно приблизить звучание акустических устройств к натуральному, т. е. передать всю свойственную тому или иному музыкальному исполнению окраску и динамический диапазон, а также сохранить пространственное распределение всех звуковых составляющих.

В современных радиоприемниках и усилителях звуковоспроизводящим устройством является громкоговоритель, который представляет собой преобразователь электрической энергии в звуковую. Наилучшими современными громкоговорителями в отношении. качества воспроизведения являются электродинамические диффузорные и рупорные громкоговорители, поэтому они получили в настоящее время очень широкое распространение.

Однако им свойственен и ряд недостатков: малый к.п.д., недостаточно равномерная частотная характеристика, обычно резко падающая в области низших (ниже 150—250 гц) и высших (выше 5—6 кгц) частот, и резко направленные свойства для частот выше 2—3 кгц.

При использовании одного громкоговорителя для воспроизведения широкой полосы частот проявляются противоречивые требования, предъявляемые к его конструкции, выполнение которых необходимо для достаточно хорошего воспроизведения низших и высших частот, особенно в громкоговорителях мощностью в 5 ва я выше. Подвижная система громкоговорителя, рассчитанного на эффективное воспроизведение низших частот, должна иметь большой и прочный диффузор, чтобы он мог без деформаций воспроизводить значительные пиковые мощности, которые как раз приходятся на область низших частот, особенно в музыкальных передачах. Звуковая катушка такого громкоговорителя должна иметь достаточную поверхность охлаждения (1,5—2 см² на 1 вт подводимой мощности). С другой стороны, для эффективной передачи высших частот подвижная система (диффузор и звуковая катушка) должна быть достаточно легкой, т. е. они должны иметь небольшие размеры и минимальный вес.

Эти. противоречивые требования практически вряд ли совместимы, поэтому задачу воспроизведения широкой полосы частот решают иначе: применением в диффузорных электродинамических громкоговорителях сложной подвижной системы или комбинированным использованием двух и более громкоговорителей различных типов, каждый из которых предназначен для воспроизведения соответствующей части частотного диапазона.

В первом случае применяют двухдиффузорные широкополосные электродинамические громкоговорители с обычным низким к.п.д. и узкой характеристикой направленности на высших частотах. Во вторам случае конструкцию самого громкоговорителя усложнять не требуется, так как воспроизведение высших и низших частот осуществляется за счет разделения частотных полос между отдельными громкоговорителями. Практически рабочую полосу частот достаточно разделить только на две части: от 30—40 до 500—1000 гц и от 500— 1000 до 10 000— 12 000 гц. Если необходимо воспроизводить более широкую полосу частот (до 15—18 кгц), частоту разделения каналов следует повышать до 3—4 кгц. Такие двухполосные агрегаты громкоговорителей в настоящее время весьма успешно используются для высококачественного звуковоспроизведения. В них, помимо высококачественного воспроизведения широкой полосы частот, значительно уменьшаются интермодуляционные искажения, так как одновременное излучение низших и высших частот осуществляется разными подвижными системами. Звуковые катушки низкочастотного и высокочастотного громкоговорителей, работающих в двухполосной системе, необходимо подключать к выходу усилителя через фильтр, служащий для разделения выходной электрической мощности на две части таким образом, чтобы колебательная энергия частот, лежащих ниже частоты разделения, подавалась на низкочастотный громкоговоритель, а колебательная анергия частот, лежащих выше, — на высокочастотный. Наиболее распространенные схемы разделительных фильтров приведены на рис. 1. В зависимости от соотношения мощностей усилителя и громкоговорителей, в жаждой полосе НЧ или ВЧ может работать один, два и более громкоговорителей.

Рис. 1. Схемы разделительных фильтров: а — схема с параллельным включением элементов; б — схема с последовательным включением элементов; в и г — комбинированные схемы

Емкость конденсаторов и индуктивность дросселей разделительных фильтров определяются сопротивлением звуковых катушек и вытравной частотой разделения. При равенстве сопротивлений звуковых катушек . низкочастотного и высокочастотного громкоговорителей величина конденсаторов и дросселей рассчитывается по формулам, приведенным в табл. 1, где R — сопротивление звуковых катушек, ом, а ω_р = 6,28 f_р (f_р — частота разделения, гц).

Таблица 1. Формулы для расчета элементов схем рис. 1

Элемент фильтра	а и б	в	г
L, гн	R	R	1,4R
	ωp	1,4ωр	ωр
C, ф	1	1,4	1
	ωр R	ωр R	1,4ωр R

В случае, если сопротивления звуковых катушек громкоговорителей различны, их следует уравнять с помощью согласующего трансформатора. Такой трансформатор (или автотранcформатор) лучше применять для высокочастотного громкоговорителя и в зависимости от соотношения сопротивлений звуковых катушек использовать либо на повышение (если сопротивление катушки НЧ громкоговорителя меньше), либо на понижение. Его коэффициент трансформации вычисляется по формуле

где

• R_н — сопротивление низкочастотного громкоговорителя;
• R_в — сопротивление высокочастотного громкоговорителя.

Входное сопротивление агрегата, подключаемого к усилителю через фильтры, рассчитанные по формулам табл. 1, почти не зависит от частоты и численно равно входному сопротивлению одного громкоговорителя, если, конечно, оно само мало зависит от частоты. Такая малая зависимость как раз существует в электродинамических громкоговорителях, хорошо согласованных со своим акустическим оформлением. Поэтому выходной трансформатор усилителя низкой частоты следует рассчитывать обычным порядком, учитывая сопротивление только одного громкоговорителя.

Обоснованный выбор количества громкоговорителей а их типов для каждой полосы частот, правильный расчет и выполнение акустических элементов агрегата именно и позволяют получить высокую верность воспроизведения.

Для успешного решения вопросов, возникающих при конструировании акустических систем, необходимо прежде всего познакомиться с физическими условиями работы громкоговорителей раздельно в области низших высших частот.

Роль внешнего оформления. Условия излучения громкоговорителем звуковой энергии низших частот весьма неблагоприятны и во многом зависят от внешнего (акустического) оформления. Дело в том, что диффузор громкоговорителя при движении вперед сжимает воздух впереди себя и разрежает его сзади. Эти сжатия и разрежения создают звуковые волны, которые по фазе сдвинуты друг относительно друга на 180° (¹/₂ длины волны). Если в точку пространства, где находится слушатель, придут обе волны, сжатия и разрежения, то, складываясь одна с другой, они будут взаимно уничтожать друг друга и звук будет резко ослаблен. Такой эффект называется акустическим «коротким замыканием». При этом, вместо того чтобы передавать звуковые колебания дальше, диффузор перегоняет воздух с одной стороны на другую (рис. 2,а).

Для устранения акустического «короткого замыкания» громкоговоритель укрепляют на щите (экране), разделяющем переднюю и заднюю излучающие стороны диффузора. При этом изменение давления в воздушном слое перед громкоговорителем, непосредственно примыкающем к диффузору, будет передаваться соседним слоям воздуха и направляться дальше, т. е. будет происходить излучение звука (рис. 2,6).

Рис. 2. К пояснению действия экрана громкоговорителя: а — громкоговоритель без экрана; б — громкоговоритель с бесконечно большим экраном

Акустическое «короткое замыкание» проявляется только в области самых низких звуковых частот (ниже 300 гц), для которых размеры диффузора .малы по сравнению с длиной волны. Для более высоких звуковых частот, т. е. когда длина волны мала, воздействие волны с задней стороны диффузора ослабляется самим диффузором. Из этого следует, что если в точке приема сдвиг фазы колебаний, возбужденных задней стороной диффузора, равен целому числу длин волн (λ, 2λ, 3λ и т. д.), то эти волны будут вычитаться из волн от передней стороны диффузора, а звук ослабляться; если этот сдвиг фазы равен нечетному числу полуволн (0,5λ, 1,5λ., 2,5λ и т. д.), то обе волны будут складываться, а звук усиливаться.

Вычитание и сложение звуковых волн различных частот создает вдоль оси громкоговорителя максимумы и минимумы (пики и провалы) звукового давления. Этот неприятный эффект резче выражен тогда, когда громкоговоритель установлен в центре акустического экрана квадратной и особенно круглой формы, потому что запаздывание фазы волны от задней стороны диффузора будет одинаковым вокруг всего экрана. В стороне от осевой линии это запаздывание фазы не будет одинаковым для всех волн, поэтому пики и провалы звукового давления несколько сгладятся. Вследствие этого целесообразно размещать громкоговоритель не в центре экрана или попользовать акустические экраны неправильной формы.

Как следует из сказанного, размеры акустического экрана, если необходимо воспроизводить низшие частоты, должны быть довольно большими, что в большинстве случаев неосуществимо.

В качестве примера укажем, что для обеспечения нормальной работы громкоговорителя при частоте 50 гц (длина волны λ=680 см) необходимо иметь щит со стороной или диаметрам не менее 340 см. Конечно, такой щит слишком громоздок. Впрочем, подобный щит и не всегда бывает нужен, так как он бесполезен, если сам громкоговоритель не излучает этих частот.

Вместо щитов уже давно широко применяются ящики с открытой задней стенкой (ящик радиоприемника), а также полностью закрытые ящики, фазоинверторы и другие конструкции. Расчету и конструированию внешнего акустического оформления «иже посвящается специальный раздел.

Особенности воспроизведения высших частот. На воспроизведение высших частот значительное влияние оказывает характеристика- направленности громкоговорителя. Ранее уже отмечалось, что с повышением частоты характеристика направленности громкоговорителей становится более острой, причем направленность характеристики будет выше у громкоговорителей с большим диаметром диффузора. В результате направленного излучения звуковых колебаний качество звучания громкоговорителя оказывается лучшим для слушателей, сидящих ближе к рабочей оси громкоговорителя, и худшим для слушателей, находящихся в стороне от этой оси. По этим причинам, например, нельзя рекомендовать 'размещение громкоговорителей только на верхних или только на боковых стенках ящиков (что, к сожалению, сделано, например, в некоторых наших телевизорах). Это же обстоятельство не позволяет получить удовлетворительное пространственное распределение звука в помещении.

Фиксированное положение источника звука желательно иметь при речевых передачах, когда известное Месторасположение лектора или артиста (чтеца) способствует лучшему восприятию передаваемого материала и не рассеивает внимание слушателя.

Совершенно другие условия требуются для воспроизведения музыкальных произведений, особенно исполняемых большими ансамблями (симфонические оркестры, хоры и т. п.). В этом случае необходимо иметь возможно более широкую характеристику направленности на высших частотах. И хотя такое звучание еще весьма далеко от натурального в части пространственного распределения звука, все же ослабление эффекта локализации звука в месте расположения громкоговорителя значительно улучшает .художественность и качество восприятия музыкальных произведений.

В промышленных и любительских приемниках и радиолах расширение характеристики направленности осуществляется применением дополнительных высокочастотных громкоговорителей, устанавливаемых на боковых стенках ящиков.

В более совершенных и мощных звуковоспроизводящих системах (например, в кинотеатрах) применяются специальные высокочастотные громкоговорители, снабженные особыми рассеивающими многоячеечными рупорами или акустическими линзами, которые обладают нужной характеристикой направленности, почти не зависящей от частоты.

Демпфирование громкоговорителя. Качество звуковоспроизведения зависит не только от ориентировки громкоговорителя и частотных и амплитудных характеристик звеньев звуковоспроизводящего тракта. Оно. а тем более высокая верность передачи музыки и речи, определяется во многом переходными характеристиками громкоговорителей.

Эти характеристики, показывая поведение громкоговорителя в момент перехода его подвижной системы от состояния покоя к воспроизведению сигнала или наоборот, определяют способность громкоговорителя воспроизводить те или иные, быстро изменяющиеся во времени, колебательные процессы, что является весьма важным свойством, характеризующим чистоту и качество звукопередачи.

Как показали многочисленные исследования, динамическая структура речи и музыки имеет импульсный характер. Речь и в значительной степени музыка представляют собой непрерывный ряд следующих один за другим звуковых импульсов различной продолжительности, интенсивности и частоты, (высоты тона). Хороший громкоговоритель должен иметь поэтому и хорошие переходные характеристики, обеспечивающие его способность точно преобразовывать электрический импульс в звуковой, т. е. сохранять форму и продолжительность импульса.

Переходные характеристики громкоговорителя определяются степенью электромеханического демпфирования подвижной системы, т. е. величиной механических •потерь (внутреннего трения). Недостаточное демпфирование подвижной (колебательной) системы громкоговорителя выражается появлением в его Частотной характеристике одного или нескольких максимумов (пиков), свидетельствующих о том, что система имеет одну или несколько резонансных частот.

Высота пика указывает на степень демпфирования (затухания): чем больше максимум, тем меньше затухание в колебательной системе. Плохие переходные характеристики громкоговорителя и его неспособность точно воспроизводить электрический импульс объясняются тем, что подвижная система громкоговорителя (диффузор со звуковой катушкой) не только смещается электрическим импульсом из положения покоя, но и приводится в колебание на собственных (резонансных) частотах системы. Эти собственные колебания подвижной системы проявляются как в начале, так и в .конце электрического импульса, причем, являясь свободными затухающими колебаниями подвижной системы громкоговорителя, они могут продолжаться и после прекращения действия импульса.

При слабом демпфировании затухание собственных колебаний подвижной системы громкоговорителя продолжается довольно долго (0,1—0,15 сек.); вследствие этого они могут наложиться на следующий звуковой импульс и значительно исказить сигнал, сопровождая его призвуками, отсутствующими в сигнале.

Для иллюстрации на рис. 3 приводятся осциллограммы э.д.с., развиваемых в звуковых катушках двух громкоговорителей, зашунтированных сопротивлением 70 Ом, после вывода катушки из состояния покоя импульсом постоянного тока. На рис. 3,а показана осциллограмма недостаточно демпфированного громкоговорителя, затухание собственных колебаний которого продолжаете я в течение более чем восьми периодов. На рис. 3,б показан образец кривой затухания собственных колебаний хорошо демпфированного громкоговорителя; как видно из осциллограммы, собственные колебания прекращаются уже после одного полного колебания (около 0,02 сек.).

Рис. 3. Осциллограммы э.д.с., развиваемых в звуковых катушках громкоговорителей, зашунтированных сопротивлением 70 ом: а — система плохо демпфирована; б — система с хорошим демпфированием

Другая иллюстрация влияния демпфирования на качество громкоговорителя представлена на рис. 4, на котором приведены две частотные характеристики одного и того же громкоговорителя мощностью 6 ва: кривая 1 смята при отсутствии демпфирования, а кривая 2 — при демпфировании по краевому гофру диффузора. Кривые показывают, как демпфирование сглаживает частотную характеристику, уменьшая высоту отдельных пикою, а некоторые устраняя совсем.

Рис. 4. Частотная характеристика громкоговорителя, мощностью 6 ва: 1 — без демпфирования; 2 — с демпфированием по краевому гофру

Демпфирующее влияние на подвижную систему, громкоговорителя оказывает и выходной каскад усилителя. Дело в том, что при колебаниях звуковой катушки в магнитном поле в катушке наводится ток, противодействующий перемещениям катушки, т. е. тормозящий ее колебания. Чем меньше выходное сопротивление усилителя, шунтирующее звуковую катушку, тем больше величина наведенного тока и тем большая сила торможения создается им. На рис. 5, а и б изображены осциллограммы затухающих колебаний одного и того же громкоговорителя при шунтировании его звуковой катушки сопротивлениями 70 и 18 Ом (эквивалентными выходному сопротивлению усилителя). Кривые указывают на большую роль величины выходного сопротивления усилителя в демпфировании громкоговорителя. Они же поясняют, почему низкое выходное сопротивление усилителя, которое обеспечивается применением отрицательной обратной связи, является обязательным условием повышения качественных показателей усилителя*.

Рис. 5. Осциллограммы затухающих колебаний в одном и том же громкоговорителе: а — при шунтировании звуковой катушки сопротивлением 70 ом; б — при шунтировании. сопротивлением 18 ом

* В зарубежной литературе демпфирующие свойства усилителя' оцениваются его «демпфирующим фактором», равным отношению номинальной нагрузки усилителя R_н к его выходному сопротивлению r_у, т. е, D = R_н/r_y , или в децибелах

D_дб = 20 lg R_н/r_y

Некоторое демпфирующее действие на громкоговоритель оказывает также так называемое сопротивление излучения. Степень этого демпфирования зависит от акустического оформления громкоговорителя, определяющего его акустическую нагрузку.

Следует указать, что многочисленные эксперимент ты, проведенные для исследования влияния демлфирования подвижной системы громкоговорителя на качество звуковоспроизведения, полностью подтвердили большую важность сильного демпфирования. Вот почему нам кажется предпочтительнее выравнивать частотную характеристику громкоговорителя демпфированием, а не методом компенсации, когда громкоговорители подбираются так, что максимумы частотной характеристики одного компенсируют провалы в характеристике другого.

Требования., предъявляемые к усилителю. Освещение проблемы высококачественного звуковоспроизведения будет неполным, если не коснуться некоторых вопросов, относящихся к работе усилителя, предназначенного обеспечить соответствующее качество работы акустической системы. Требования, предъявляемые к усилительным устройствам, очень высоки. Последние должны обладать значительной мощностью (порядка 8—15 вт) и очень широкой полосой воспроизводимых частот (от 30—40 гц до 12—15 кгц) при весьма малом уровне собственных шумов (—60 дб и ниже). Шумы резко ухудшают восприятие высших частот, а кроме того, сужают воспроизводимый динамический диапазон. Нелинейные искажения, возникающие в разных звеньях усилителя, т. е. гармоники, комбинационные, интермодуляционные и другие дополнительные частоты, вызывающие искажения, должны быть сведены к минимуму. В этом отношении хорошо зарекомендовали себя так называемые ультралинейные выходные каскады, у которых коэффициент гармоник (клирфактор) не превышает 1—2% при значительных выходных мощностях (до 40—50 вт). Низкий коэффициент гармоник таких усилителей, т. е. малый уровень нелинейных искажений, и явился поводом называть их ультралинейными.

Однако ультралинейные широкополосные усилителя не свободны от интермодуляционных искажений, которые возникают главным образом в выходных трансформаторах.

Более эффективно двухполосное усиление, когда разделение частот осуществляется не на выходе усилителя, а в предварительных каскадах. Такой способ сквозного двухполосного усиления позволяет значительно улучшить все качественные характеристики звуковоспроизводящей системы, в том числе и уменьшить интермодуляционные, искажения. При этом требуется, помимо соответствующего фазирования звуковых катушек громкоговорителей, также и фазирование вторичных обмоток выходных трансформаторов.

Сквозное двухполосное усиление лучше всего использовать в более мощных устройствах (от 15—25 вт и выше), и усилитель каждой полосы может быть выполнен по ультралинейной схеме. Такое разделение рабочей полосы позволяет выполнить акустические системы с лучшими технико-экономическим и и эксплуатационными показателями.

В современных системах звуковоспроизведения повышенные требования предъявляются и к фазовой характеристике усилителя, форма которой для обычных акустических систем при однополосном усилении не играет какой-либо роли. Снижение фазовых искажений, необходимое в современных системах звуковоспроизведения, достигается в частности применением корректирующих элементов. Значительное уменьшение фазовых искажений может быть получено в усилителях с бестрансформаторным выходом. Эти усилители имеют целый ряд преимуществ и начинают широко применяться в практике, однако для их осуществления необходимы специальные лампы с большой крутизной и малым внутренним сопротивлением; а также высокоомные звуковые катушки (400—1000 Ом) в громкоговорителях.

Особо следует остановиться на способах регулировки тембра. Технические возможности новейших систем звуковоспроизведения позволяют в чрезвычайно широких пределах (±15/20 дб), преимущественно на крайних участках рабочего диапазона, регулировать частотную характеристику усилителя низкой частоты. В настоящее время вместо ручной плавной регулировки тембра, раздельной по высшим и низшим частотам, начинают применяться клавишные регуляторы тембра, рассчитанные на включение ряда стандартных фиксированных частотных характеристик в зависимости от рода передачи (речь, сольный номер, симфонический оркестр, джаз и т. п.). Такой способ регулировки тембра целесообразно использовать только в промышленных разработках, где весь комплекс аппаратуры (в данном случае усилитель низкой частоты и громкоговорители) правильно подбирается, взаимно отлаживается и целиком контролируется при выпуске. Внедрение стандартных (фиксированных) частотных характеристик в самодельных усилителях низкой частоты нельзя рекомендовать потому, что достоверно неизвестна частотная характеристика применяемого в конструкции громкоговорителя или агрегата и измерить ее не всегда представляется возможным. Это не позволяет рассчитывать и регулировать фиксированные частотные характеристики усилителя низкой частоты так, чтобы полная (сквозная) частотная характеристика установки, измеренная по звуковому давлению, соответствовала исполняемому музыкальному произведению. Кроме того, применение клавишных регуляторов тона не дает возможности «приспосабливания» к акустике помещения, в котором ведется прослушивание, а также к индивидуальным вкусам слушателей.

Последний недостаток, конечно, свойственен и промышленной аппаратуре, в некоторых образцах которой (за рубежом) уже начинают дополнять клавиши регуляторов тембра ручной подстройкой тембра.

В радиолюбительских конструкциях лучше всего применять обычную ручную регулировку тембра (отдельно в области высших и низших частот), причем следует отдать предпочтение схемам, где применяются частотнозависимые делители напряжения. Усилители, в которых используется отрицательная обратная связь, часто не обеспечивают требуемой глубины регулировки тембра из-за изменения фазовых характеристик, в результате чего при некоторых положениях регулятора тембра отрицательная обратная связь превращается в положительную, вызывая неустойчивость работы усилителя, самовозбуждение (генерацию) и другие нежелательные явления. Однако хорошо рассчитанные и правильно отлаженные цепи отрицательной обратной связи позволяют улучшить параметры усилителя, уменьшить уровень собственных шумов и повысить стабильность работы. Но это возможно лишь при соответствующей подгонке и проверке фазовых характеристик, измерение которых в радиолюбительской практике обычно не производится.

При двухполосной системе усиления, когда разделение полос осуществляется в предварительных каскадам, легче подобрать соответствующее распределение мощности, подаваемой на громкоговорители, воспроизводящие низшие и высшие частоты, и учесть акустические особенности помещения. Кроме того, регулировка тембра в этом случае может осуществляться изменением коэффициента усиления в каждой полосе, что, однако, сопровождается изменением частоты разделения и должно учитываться.