Основным элементом всякой акустической системы являются громкоговорители, причем в современных акустических системах обычно применяются громкоговорители электродинамического типа, обладающие наилучшими качественными показателями.
Электродинамические громкоговорители в зависимости от способа излучения звуковых колебаний подразделяются на громкоговорители прямого излучения и рупорные. Громкоговорители прямого излучения имеют диффузоры, излучающие звук непосредственно в окружающую воздушную среду, диафрагмы рупорных громкоговорителей излучают звук через рупоры различных форм. Электродинамические громкоговорители, кроме того, разделяются на громкоговорители с постоянными магнитами и громкоговорители с электромагнитным возбуждением (с подмагничиванием).
Акустические свойства одинаковых по мощности громкоговорителей практически не отличаются, независимо от того, какая магнитная система в них применена: электромагнитное возбуждение или постоянный магнит. Однако громкоговорители с постоянными магнитами имеют ряд преимуществ. Отсутствие обмотки возбуждения дает большую надежность в эксплуатации, обеспечивая экономию электроэнергии и работу в более легком тепловом режиме при стабильной магнитной индукции в зазоре (при электромагнитном возбуждении индукция изменяется при колебаниях питающего напряжения). Эти преимущества громкоговорителей с постоянными магнитами привели к тому, что в настоящее время они лишь и выпускаются, причем любых мощностей, начиная от долей вольтампера до нескольких десятков вольтампер.
Технические данные динамических диффузорных громкоговорителей для радиовещательных приемников, телевизоров и радиол определяются ГОСТом 9010—59. В приложении 1 приводится сводная таблица данных наиболее распространенных типов громкоговорителей.
Громкоговорители характеризуются рядом показателей, определяющих их качество и эффективность работы. Основными показателями являются номинальная мощность, среднее звуковое давление (чувствительность), диапазон воспроизводимых частот, определяемый частотной характеристикой, допустимые нелинейные (амплитудные) искажения, входное сопротивление и направленность излучения.
Номинальная мощность. Максимальная величина электрической мощности переменного (синусоидального) тока звуковой частоты, подводимой к громкоговорителю, при которой на пиках передачи не нарушается его механическая и тепловая эксплуатационная прочность, а нелинейные искажения не превышают допустимой для данного типа громкоговорителя величины, установленной стандартом (ГОСТ) или техническими условиями, называют номинальной мощностью громкоговорителя; она выражается в вольтамперах (ва).
Среднее звуковое давление. С целью унификации условий измерений и для удобства сравнения между собой различных громкоговорителей согласно стандарту на методы акустических испытаний (ГОСТ-7323—55) определяется так называемое стандартное звуковое давление, которое измеряется в динах на квадратный сантиметр (в барах) в точках, лежащих на рабочей оси* громкоговорителя, и обычно приводятся к расстоянию 1 м.
* Рабочей осью громкоговорителя называется направление преимущественного использования в нормальных условиях эксплуатации, оговоренное ГОСТом или ТУ для каждого типа громкоговорителя.
Определение среднего звукового давления в помещении (каморе) производится при подведении напряжения, соответствующего мощности 0,1 ва, на частоте 1000 гц, а три испытаниях на открытом воздухе — номинальной мощности громкоговорителя (но не более 5 ва).
Среднее стандартное звуковое давление громкого-верителя определяется как среднеарифметическое стандартных звуковых давлений, измеренных на тех из 19 частот: 100, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500. 4500, 5500,- 6500, 8000, 10000, 12 000, 15 000 гц, которые входят в номинальный частотный диапазон, установленный техническими условиям,и на испытуемый тип громкоговорителя.
Частотная характеристика. Стандартное звуковое давление громкоговорителей обычно сильно зависит от частоты, поэтому и определяется оно при различных частотах в пределах полосы, воспроизводимой громкоговорителем. Графическое изображение зависимости звукового давления от частоты позволяет судить о качестве громкоговорителя; эта зависимость называется частотной характеристикой громкоговорителя. Чем более широкий частотный диапазон охватывается частотной характеристикой и чем она равнее, тем лучше громкоговоритель.
Неравномерность частотной характеристики определяется отношением наибольшего и наименьшего уровней звукового давления, выраженных в децибелах (N = 20lg Pмакс/Рмин).
В некоторых случаях неравномерность частотной характеристики определяют по отношению к среднему уровню (N = 20lg Pмакс/Рср и N = 20lg Рср/Рмин). Неравномерность характеристики в этом случае выражается со знаком +/- (плюс, минус).
Нелинейные искажения оцениваются величиной коэффициента гармоник (клирфактором). Чем больше значение этого коэффициента, тем больше будет искажаться натуральный тембр звука: может появиться хрип, дребезжание и т. п.
Нелинейные искажения связаны с амплитудной характеристикой, выражающей зависимость звуковой энергии, развиваемой громкоговорителем, от величины подводимой к нему электрической мощности. В случае, если амплитудная характеристика громкоговорителя выражается линейной зависимостью на всех частотах в пределах передаваемого динамического диапавона, нелинейные искажения не возникают и форма звуковых колебаний будет соответствовать форме тех электрических колебаний, которые подводятся к громкоговорителю. В противном случае форма звуковых колебаний искажается и возникают нелинейные искажения.
Входное сопротивление. Входным, или полным, электрическим сопротивлением громкоговорителя называют сопротивление переменному (синусоидальному) току, измеренное на какой-либо частоте на зажимах громкоговорителя (звуковая катушка) или на входных зажимах всякого рода дополнительных устройств (согласующий трансформатор, разделительные фильтры и т. п.), если они являются неотъемлемой частью конструкции громкоговорителя (например, громкоговорителя радиотрансляционной сети) или агрегата.
Входное сопротивление громкоговорителя наряду с активной составляющей имеет также реактивную (для электродинамических громкоговорителей — индуктивную) составляющую. От соотношения этих составляющих за®исит частотная характеристика входного сопротивления громкоговорителя. Менее всего изменяется по частоте входное сопротивление электродинамических громкоговорителей, а из них — у рупорных. Графическое изображение изменения входного сопротивления громкоговорителя при изменении частоты позволяет определить нагрузку выходного каскада усилителя и частоту основного собственного резонанса подвижной системы, на которой значительно увеличивается входное сопротивление. Частоту резонанса весьма важно знать для расчета акустической системы в области низших частот, особенно если одновременно работают два или несколько громкоговорителей.
Направленность излучения. Зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем на данной частоте в любой точке пространства, находящейся на определенном расстоянии от центра внешней поверхности диффузородержателя или устья рупора громкоговорителя, по отношению к точке пространства, лежащей на том же расстоянии на рабочей оси громкоговорителя, называется характеристикой направленности.
Обычно в типовых данных большинства громкоговорителей этот показатель не приводится, но при конструировании акустических систем, а также при озвучании помещений и открытых площадей принимают меры для получения (нужной характеристики направленности во всем диапазоне частот.
Условия эффективной работы громкоговорителей. Акустическая система любой современной звуковоспроизводящей установки, претендующей ва достаточно высокую верность воспроизведения, состоит обычно из нескольких громкоговорителей. Для того чтобы акустическая система соответствовала усилительной части установки, необходимо в первую очередь, чтобы суммарная поминальная мощность громкоговорителей, используемых в ней, была не меньше максимальной допустимой мощности выходного каскада усилителя НЧ. Перегружаемые громкоговорители вносят большие искажения. Необходимо, чтобы громкоговорители равномерно воспроизводили ту полосу частот, на которую рассчитан приемник или усилитель НЧ. Так как громкоговорители резко снижают отдачу на частотах, лежащих ниже основной резонансной частоты (60—120 гц), то желательно применять громкоговорители с достаточно низкой частотой основного резонанса.
В случае использования в акустической системе нескольких однотипных громкоговорителей для наиболее эффективной работы в области низших частот их .необходимо подбирать так, чтобы частоты основного резонанса отличались на 20—30 гц, .причем лучше, если самая низшая частота основного резонанса не будет превышать 40—50 гц.
Для воспроизведения низких частот в подобной системе желательно иметь не менее двух громкоговорителей, подобранных таким образом и располагаемых рядом на фронтальной панели. В этом случае значительно повышается эффектной ость излучения низших частот: К.П.Д. (отдача) возрастает почти в два раза. Это происходит потому, что при одновременной синфазной работе и близком расположении друг к другу громкоговорителей вдвое увеличивается эффективная излучающая поверхность, вызывающая четырехкратное (22) увеличение излучаемой звуковой энергии (пропорционально квадрату излучающей поверхности), тогда как потребляемая от усилителя электрическая мощность только удваивается.
При дальнейшем увеличении числа громкоговорителей (до 4— 6 шт.) происходит соответствующее повышение к.п.д. Однако большее число их брать не следует, так как конструкция акустического оформления становится громоздкой, а .прирост к.п.д. будет незначительным.
Правильный подбор громкоговорителей выравнивает общую частотную характеристику системы. Происходит это потому, что разные экземпляры громкоговорителей, даже одного и того же типа, имеют неодинаковые частотные характеристики. Подъемы (пики) и провалы чувствительности оказываются несколько сдвинутыми по частоте, а потому они взаимно компенсируются.
Заботясь об обеспечении хорошего воспроизведения, следует не забывать и об эффективности излучения высших частот. Если громкоговорители размещены в глубине ящика или в прорези, сделанной в толстой стенке (20—30 мм), то воспроизведение высших частот может ухудшиться, так как перед диффузорами образуется объем воздуха, увеличивающий эффективную массу подвижной системы. В этом случае полезно отверстие для громкоговорителя прорезать в виде конуса (рис. 1,а) с углом в 45° (между образующей конуса и поверхностью стенки) или крепить его на наружной стороне (рис. 1,6).
Рис. 1. Два варианта крепления громкоговорителей на толстой панели (экране): а — крепление громкоговорителя в расширяющемся отверстии; б — крепление громкоговорителя на наружной стороне
Значительное влияние на излучение высших частот оказывают всякого рода облицовочные и декоративные элементы, такие, как драпировочный шелк, решетки, жалюзи и т. п., выбираемые в основном по эстетическим соображениям. Так, слишком плотный шелк или густая решетка (сетка) могут внести затухание и ослабить излучение высших частот. Те же решении и жалюзи яри значительной их толщине могут иногда создать резонансные явления, следствием чего «а частотной характеристике появляются дополнительные лиши и провалы. Поэтому все это дополнительное оформление следует применять весьма осторожно и не вводить излишние усложнения.
Для воспроизведения высоких частот в акустической системе желательно иметь большее число громкоговорителей (3—4 шт.), чем для воспроизведения низких частот; располагать эти громкоговорители следует подальше друг от друга и не только на фронтальной, но и на боковых панелях. К рекомендациям по размещению громкоговорителей мы еще вернемся дальше. Здесь же мы остановимся на вопросе, как лучше соединять между собой работающие совместно однотипные громкоговорители: параллельно или последовательно. С, энергетической стороны это безразлично, но электроакустические соображения, приведенные выше, указывают на желательность электрического демпфирования подвижной системы, которое будет большим при параллельном соединении звуковых катушек. Демпфирование это будет наиболее эффективно в области частот основного резонанса при достаточном различии этих частот (на 20—30 гц), так как в обе стороны от резонансной частоты входное сопротивление громкоговорителя уменьшается. Это положение хорошо согласуется и с требованиями, предъявляемыми к частотной характеристике, а поэтому громкоговорители, работающие в низкочастотной части звукового диапазона или в широкой полосе, предпочтительнее соединять параллельно.
Что касается высокочастотных громкоговорителей — «пищалок», у которых частота основного резонанса лежит за пределами рабочей полосы, то демпфирование их подвижной системы не столь существенно. Поэтому звуковые катушки этих громкоговорителей можно соединять последовательно; при этом потребуется меньшая разделительная емкость, а кроме того, при таком соединении обрыв цепи одного из громкоговорителей легко можно заметить на слух, так как при этом выключаются все громкоговорители. При параллельном же соединении такая неисправность будет мало заметна.
Однако выбор соответствующего способа соединения громкоговорителей должен решаться в последнюю очередь и тогда, когда конструктор свободен в этом выборе. В первую очередь должны быть подобраны сопротивления нагрузки ВЧ и НЧ полос усилителей так, чтобы звуковая мощность поровну распределялась между ними и чтобы было осуществлено согласование нагрузок с усилителем.
Системы объемного звучания. Рассмотрим теперь особенности размещения громкоговорителей в системах, создающих объемное звучание. Одно из наиболее простых, а потому и распространенных размещений показа, но на рис. 2. Такое размещение громкоговорителей принято в качестве основного варианта в наших унифицированных промышленных приемниках и радиолах первого класса (например «Октава», «Волга», «Комета»), но начинает использоваться и в аппаратуре второго класса (радиола «Новосибирск»).
Рис. 2. Расположение громкоговорителей в простой системе объемного звучания, используемой в радиоприемниках (вид сверху):
На фронтальной стороне ящика размещены два широкополосных громкоговорителя одинаковой мощности (от 1 до 3 ва, в зависимости от мощности выходного каскада и размеров ящика). Частоты основного резонанса их разнесены на 20—30 гц. На боковых стенках размещаются два высокочастотных громкоговорителя мощностью по 1 ва каждый; они подключаются к усилителю через разделительный конденсатор (1—10 мкф), ограничивающий уровень низших частот, а потому могут выдержать большую мощность, чем номинальная (в диапазоне от 400—600 гц и выше). Здесь обычно применяются овальные громкоговорители 1ГД-9 с более высокой частотой основного (резонанса (120—180 гц), установленные большой осью диффузора вертикально.
Вместо двух громкоговорителей на фронтальной стороне можно применить и один .мощностью 5—10 ва, с достаточно нивкой частотой основного резонанса (40— 50 гц). В этом случае «предпочтение следует отдать громкоговорителю с эллиптическим диффузором (например, 5ГД-14), расположив его большой осью вертикаль, «о. Для расширения полосы воспроизводимых частот и лучшей равномерности частотной характеристики желательно дополнительно разместить на фронтальной стороне один «ли два малых громкоговорителя — «пищалки» (например, типа ВГД-1), включаемых в одну цепь с боковыми громкоговорителями. Весьма целесообразно, исходя ив конструктивных и акустических соображений, размещать малый громкоговоритель внутри большого, как это показано на рис. 3. В аппаратуре высшего класса применяется большее число громкоговорителей, особенно высокочастотных, которые могут размещаться под любым углом к основным (фронтальным) и по обе стороны от них.
Рис. 3. Соосное расположение двух громкоговорителей
В комнатах малого объема, обставленных большим количеством мебели, с коврами и картинами на стенах и т. т., боковые громкоговорители могут не дать нужного эффекта. В этом случае целесообразнее располагать их также на фронтальной панели (по краям), делая панель возможно длиннее (до 1,0—1,2 м).
Заметный эффект объемности звучания получается при использовании дополнительных выносных громкоговорителей, работающих в области только средних и высших частот (применяются в радиоле I класса «Эстония-59») . Такая система может быть осуществлена и а обычном приемнике или радиоле с достаточной мощностью на выходе (5—8 вт). Подключив через разделительный конденсатор два-четыре дополнительных громкоговорителя мощностью 0,5—1 ва, укрепленных на небольшой доске или ящике (типа абонентского громкоговорителя для радиотрансляционных сетей), можно расставить их в помещении так, что получается явный эффект объемности. При этом приемник или радиолу, где установлен основной громкоговоритель, лучше поместить в углу, расположив, дополнительные громкоговорители на расстоянии 1,5—2 м по обеим сторонам этого угла.
Более эффективным здесь может быть отдельный акустический агрегат, оформленный в специальном ящике в .виде трехгранной приемы, или хотя бы два—три громкоговорителя, расположенных на щите, приспособленном для крепления в углу комнаты.
Дальнейшие пути повышения качества звучания. Описанные выше способы достижения объемности звучания за счет расширения характеристики направленности звуковоспроизводящей системы не исключают использования и других способов улучшения качества воспроизведения и приближения звучания к натуральному. Дальнейшим шагом вперед следует считать использование так называемого псевдостереофонического эффекта, который возникает при двухполосном воспроизведении, когда в одной из полос усиления вводят задержку сигнала по времени (сдвиг фазы). Длительность задержки в такой системе можно регулировать, и ее устанавливают в зависимости от акустических свойств помещения, где прослушивается передача, а также от рода музыкального произведения. Осуществить временную фазовую задержку можно как в усилительном устройстве, так и в акустической части системы.
Заметим, что временные (фазовые) сдвиги получаются и при совместной работе диффуворных и рупорных громкоговорителей, когда последние применяются для воспроизведения только средних и высших частот («пищалки»). Для лучшего подбора нужного времени задержки и достижения хорошего эффекта желательно совместное применение обоих способов.
Следует оговорить, однако, что все преимущества новых приемников и радиол и их акустических систем сказываются главным образом при прослушивании УКВ станций с частотной модуляцией и при проигрывании высококачественных долгоиграющих пластинок. В настольных радиолах невозможно использовать полную мощность при проигрывании пластинок ввиду самовозбуждения системы на низших частотах. Для исключения этого в настольных радиолах низшую частоту пришлось ограничить 60 гц. При этом оптимальные частоты основного резонанса низкочастотных громкоговорителей оказались равными 70 гц для одного и 90 гц для другого.
Высококачественное и громкое звучание, особенно при воспроизведении грамзаписей, достигается в консольных приемниках и радиолах. Большой объем ящика, помимо улучшения воспроизведения низших частот, позволяет также отделить акустическую часть от приемо-усилительной, что, в свою очередь, значительно ослабляет, а при дополнительной и хорошо выполненной амортизации некоторых ламп и деталей (двигатель проигрывателя, конденсатор переменной емкости и т. п.) даже совсем исключает так называемый микрофонный эффект. В акустической же части, которой обычно отводится нижнее отделение тумбы радиолы или приемника, представляется возможность рационального размещения шести-восьми громкоговорителей. Поэтому консольные радиолы способны воспроизводить полосу частот в пределах 40—15000 гц с неравномерностью порядка 9 дб и развивать номинальное среднее звуковое давление до 35 дин/см2. Кроме того, габариты ящика позволяют разнести громкоговорители отдельных каналов, что дает впечатление некоторой локализации отдельных груш инструментов, создающей эффект псевдостереофонии при воспроизведении симфонической и камерной музыки. Оформляются консольные приемники и радиолы в виде мебели современного стиля, с тщательной отделкой и полировкой.
Еще лучшие показатели, а следовательно, и качество звучания достигаются в трехполосной системе, в которой низкочастотная часть воспроизводит полосу от 40 до 500— 1000 гц, среднечастотная — от 300—400 гц до 7—8 кгц и высокочастотная—от 4—5 до 18—20 кгц. Такая система может подключаться к двухканальному усилителю с частотой разделения 300—400 гц, причем выделение высокочастотной полосы осуществляется во втором канале с помощью разделительной емкости. Один из вариантов такого включения показан на рис. 4 (на схеме каждая соответственно подобранная, параллельно или последовательно включенная группа показана в виде одного громкоговорителя). Более эффективной, но, конечно, и более сложной и громоздкой следует считать систему с тремя раздельными выходными каскадами для каждой рабочей полосы.
Рис. 4. Схема включения громкоговорителей в трехполосной системе
За рубежом трехполосные агрегаты часто выполняются в виде единой конструкции с с основным расположением громкоговорителей (рис. 5). Широко распространено также размещение громкоговорителей в специальных ящиках и фазоинверторах, причем рабочие оси громкоговорителей бывают разнесены. Как в первом, так и во втором случаях для воспроизведения высших частот чаще всего используются рупорные «пищалки» со специальным многоячейковым рупором или акустической линзой. В трехполюсной системе особо высокие требования предъявляются « низкочастотному громкоговорителю, который должен иметь очень низкую ^частоту собственного резонаса (20 гц и ниже), т. е. большой и массивный диффузор с гибким подвесом (гофр и центрирующая шайба), допускающим большие амплитуды колебаний без искажения их формы. Кроме того, необходимо хорошее демпфирование подвижной системы.
Рис. 5. Конструкция современного трехполосного громкоговорителя:
Однако наибольшее приближение к натуральному звучанию может быть достигнуто в стереофонических системах, где полное разделение тракта передачи на два и более каналов начинается с микрофонных цепей. Этим системам посвящается последний раздел брошюры.