Акустические экраны (щиты) и ящики. Акустическое оформление громкоговорителя, как мы уже отмечали; оказывает большое влияние на эффективность воспроизведения низших частот. Ранее уже была показана необходимость применения акустических экранов, которые при воспроизведении низких частот должны иметь весьма большие размеры (при низшей воспроизводимой частоте — 50 гц сторона d — 340 см).

При этом следует иметь в виду,что в случае использования акустического экрана, размеры которого малы по сравнению с длиной волны, звуковая мощность, излучаемая громкоговорителем выше его основной резонансной частоты, увеличивается на 6 дб на октаву*. Поэтому при неизменных размерах экрана .всегда выгодно для повышения отдачи на самых низких частотах .применять громкоговоритель с более низкой резонансной частотой. Для получения вполне удовлетворительных результатов можно воспользоваться щитом со стороной, выбираемой по кривой рис. 1.

Рис. 1. График для определения размеров акустического экрана

* Октава — частотный интервал, объединяющий 12 полутонов, из которых первый и последний всегда одного названия. Отношение частот одноименных тонов октавы равно двум.

Неудобства, вызванные громоздкостью акустического крана, привели к тому, что громкоговорители стали помешать в ящиках с открытой задней стенкой (ящик радиоприемника) . Та-кой ящик эквивалентен плоскому акустическому экрану со стороной d=а+2в (рис. 2) при а, равной 0,125 длины волны, соответствующей самой низкой из воспроизводимых частот.

Рис. 2. Размещение громкоговорителя: а — на экране с расчетным размером d; б — в ящике с эквивалентным размером d = а + 2в

Громкоговорители могут устанавливаться и в ящиках с закрытой задней стенкой. Закрытая задняя стенка позволяет, казалось бы, улучшить воспроизведение низших частот, так как при использовании такого ящика исключается влияние излучения задней стороны диффузора. Однако это не так. Упругость находящегося в ящике объема воздуха, особенно если этот объем не слишком велик (меньше 2—3 м³), суммируется с упругостью подвижной системы громкоговорителя и повышает его основную резонансную частоту, что ухудшает отдачу на низших частотах. Кроме того, замкнутый объем воздуха вызывает дополнительные резонансные явления на более высоких частотах, ухудшающие равномерность частотной характеристики громкоговорителя. Для устранения дополнительных резонансов, создаваемых воздушным объемом ящика, внутренние поверхности ящика покрываются звукопоглощающим материалом (пористым).

Представление о влиянии задней стенки ящика на частотную характеристику громкоговорителя в области низших частот дает рис. 3. Здесь изображены две частотные характеристики одного и того же громкоговорителя в ящике - объемом 0,025 м³: с открытой задней стенкой (сплошная линия) и с закрытой (пунктир).

Рис. 3. Частотные характеристики громкоговорителя в ящике: 1 — с открытой задней стенкой; 2 — с закрытой стенкой (пунктир)*

* Для этого рисунка, использованы данные из книги М. Rettinger «Practicol electroacoustics».

Однако, правильно выбрав размеры ящика с закытой задней стенкой и применив звукопоглощающее покрытие на внутренних поверхностях ящика, можно получить вполне удовлетворительные результаты. Размеры ящика с закрытой задней стенкой рекомендуется выбирать в зависимости от диаметра диффузора (D, см) так, чтобы объем ящика равнялся 125D² см³.

По кривым рис. 4 можно сразу определить высоту, ширину и глубину ящика, объем которого выбран указанным способом; эти размеры соответствуют так называемой «динамической симметрии».

Рис. 4. Кривые для расчета размеров ящика с закрытой задней стенкой в зависимости от диаметра диффузора: а — высота; б — ширина; в — глубина ящика

В том случае, если в ящике устанавливаются два громкоговорителя, расчет размеров ящика производится по эквивалентному диаметру диффузора D_э = √D²₁+D²₂; при одинаковых диаметрах диффузоров громкоговорителей D_э = 1,41D₁.

Мы уже отмечали важность демпфирования громкоговорителя и говорили о том, как демпфирование отражается на качестве звуковоспроизведения. Существует еще один способ акустического демпфирования громкоговорителя, используемый в ящиках с закрытой задней стенкой. Этот способ демпфирования является самым эффективным среди других, хотя его не всегда можно использовать. Акустическим он называется потому, что связан с излучением звука. Демпфирование осуществляется в этом случае с помощью пористого звукопоглощающего материала, вносящего активное сопротивление, т. е. потери в слой воздуха, колеблющийся вместе с диффузором. Таким образом, через колеблющийся воздух затухание вводится во все звенья механико-акустической системы громкоговорителя.

Громкоговоритель при акустическом демпфировании* устанавливается в закрытом ящике, заполненном обычной хлопчатобумажной, .минеральной или стеклянной ватой. Ею заполняется весь объем ящика, вплоть до громкоговорителя, причем во избежание касания ватой диффузора на держатель диффузора накладывается металлическая сетка с ячейками размером 3—4 мм. Плотность заполнения ватой зависит от ее пористости и особенностей ящика и громкоговорителя. Такой сравнительно-простой способ акустического демпфирования одинаково хорошо действует от самых низких звуковых частот до частоты 4—5 кгц, т. е. охватывает самую важную для звуковоспроизведения полосу частот. На более высоких звуковых частотах этот метод демпфирования оказывается малоэффективным вследствие изменения характера излучения звука диффузором и ослабления связи между громкоговорителем и поглотителем.

* Разработан С. Т. Тер-Осипянцем,

Эффект акустического демпфирования очень наглядно иллюстрируется результатами измерений, проведенных с двумя громкоговорителями 8ГД-РРЗ {от приемника «Рига-10»), имеющими диффузор диаметром 25 см и смонтированными в закрытом ящике объемом 0,08 м3. На рис. 5,а изображена частотная характеристика громкоговорителей до заполнения ящика ватой. Отчетливо виден основной резонанс подвижной системы громкоговорителя вблизи частоты 100 гц. На рис. 5,б показана частотная характеристика тех же громкоговорителей при использовании акустического демпфирования, т. е. после заполнения ящика ватой (в количестве около 3 кг). Сопоставление обеих частотных характеристик показывает, что демпфирование громкоговорителей резко снизило все резонансные явления, причем подавление основного резонанса понизило звуковое давление, развиваемое громкоговорителями на частоте основного резонанса, на 15 дб.

Рис. 5. Частотные характеристики громкоговорителей: а — в ящике без акустического демпфирования; б — то же с демпфированием

Завал нижних частот представляет собой «плату» за улучшение переходных характеристик громкоговорителя, тд,к как для компенсации этого завала требуется соответствующий подъем низших частот в усилителе, что, очевидно, не составляет больших трудностей.

Сглаживание частотной характеристики громкоговорителя, как уже было показано, означает улучшение переходных характеристик. На рис. 6 приводятся осциллограммы звуковых сигналов при воспроизведении громкоговорителями прямоугольных импульсов с периодом 40 мсек, дополненных звуковыми частотами 150 и 1700 гц. Осциллограммы слева относятся к громкоговорителям до заполнения ящика ватой, правые осциллограммы — после заполнения. Эти осциллограммы весьма убедительно показывают высокую эффективность акустического демпфирования, особенно вблизи частоты основного резонанса и на некоторых отдельных частотах.

Рис. 6. Воспроизведение громкоговорителем прямоугольных импульсов с различной частотой: а — 150 гц; б — 1700 гц (слева—в ящике без акустического демпфирования; справа — то же с демпфированием)

Следует особо отметить большую ценность акустического демпфирования в громкоговорителях, используемых для местного звукоусиления. Равномерная частотная характеристика таких громкоговорителей позволяет повысить среднюю интенсивность звука без опасения появления акустической генерации, возникающей легче всего на резонансных частотах.

Из вышеизложенного следует, что акустическое демпфирование одинаково эффективно подавляет резонансные явления как самого громкоговорителя, так и ящика (воздушного объема и стенок). Сорт ваты не имеет существенного значения, однако обычная хлопчатобумажная вата обладает горючестью и в этом ее основной недостаток, хотя возможность возгорания ваты в таком закрытом ящике весьма мала.

При употреблении минеральной ваты или ваты из стекловолокна следует иметь в виду, что заполнять ею ящик голыми руками нельзя. Во избежание весьма болезненный порезов рук при заполнении ящика ватой необходимо надеть перчатки.

Акустическое демпфирование не может быть применено, однако, если громкоговоритель размещен в ящике вместе с остальной аппаратурой или когда объем ящика менее 0,05 м³, так как количество ваты, которое можно вложить в ящик, будет в этом случае недостаточным.

Фазоинверторы. Разновидностью закрытого ящика является так называемый фазоинвертор, получивший значительное распространение в последние годы. Фазоинвертор представляет собой закрытый ящик, имеющий обычно вблизи громкоговорителя отверстие, приблизительно равное площади диффузора. Фазоинвертор дает возможность использования излучения задней стороны диффузора для увеличения отдачи на низших частотах. Принцип действия фазоинвертора прост: диффузор громкоговорителя связан через упругость воздушного объема ящика с массой воздуха в отверстии; эта масса ведет себя подобно диффузору, являясь дополнительным излучателем звука (вторым диффузором). При правильном выборе площади отверстия, производимом в соответствии с объемом ящика, фаза колебаний массы воздуха в отверстии будет совпадать по фазе с колебаниями массы воздуха у передней стороны диффузора, вследствие чего колебания сложатся и отдача звуковой энергии возрастет. Упругость воздушного объема и масса воздуха в отверстии фазоинвертора образуют резонансную систему (резонатор Гельмгольца), собственная частота которой должна быть равной или ниже основной «резонансной частоты громкоговорителя. Настройку ящика в резонанс удобно производить изменением площади отверстая с помощью подвижной шторки (рис. 7), с тем чтобы получить два пика на кривой зависимости полного внутреннего сопротивления громкоговорителя от частоты, как это показано на рис. 8.

Рис. 7. Фазоинвертор с регулируемой площадью отверстия (площадь отверстия делается на 15—20% больше эффективной площади диффузора громкоговорителя):

1. ящик;
2. громкоговоритель;
3. винты крепления громкоговорителя;
4. шторка, позволяющая регулировать площадь отверстия;
5. зажим, закрепляющий шторку.

Рис. 8. Частотные характеристики полного внутреннего сопротивления громкоговорителя, размещенного:

1. на акустическом экране;
2. в фазоинверторе;
3. в закрытом ящике.

Влияние фазоинвертор а на частотную характеристику громкоговорителя по сравнению с обычным закрытым ящиком того же объема иллюстрируется рис. 9.

Рис. 9. Частотные характеристики громкоговорителя в фазоинверторе: 1 —с открытым отверстием; 2 — с закрытым отверстием.

Выбирая размеры ящика, обычно идут на некоторый компромисс между требованиями равномерности частотной характеристики, хорошего внешнего вида и приемлемых размеров. Наивыгоднейший объем ящика фазоинвертора связан с радиусом диффузора громкоговорителя соотношением

V=12800 R_диф,

где

• R_диф — радиус диффузора громкоговорителя, см;
• V — объем ящика, см³.

Площадь отверстия фазоинвертора считается приблизительно равной рабочей площади, диффузора, что в действительности неммого меньше площади диффузора (S= 0,8πR_диф² = 2,5R_диф²). Остальные размеры ящика можно определить по кривым, приведенным на рис. 10. Если в ящике фазоинвертора будут установлены дополнительные диффузорные высокочастотные громкоговорители, то их необходимо сзади прикрыть каким-либо жестким колпаком, чтобы предотвратить влияние на них излучения обратной стороны низкочастотного громкоговорителя. Однако при этом следует учесть уменьшение внутреннего объема фазоинвертора.

Рис. 10. Кривые для расчета размеров ящика фазоинвертора в зависимости от радиуса диффузора; а — высота; б — ширима; в — глубина ящика.

Ящик фазоинвертора не обязательно должен быть прямоугольной формы. Иногда может оказаться более удобным помещать фазоинвертор в углу комнаты; в этом случае ему придается форма трехгранной призмы (рис. 11). Такая форма увеличивает эффективные размеры ящика, так как стены угла образуют своего рода большой рупор. Все это улучшает воспроизведение низших частот. Акустические системы, предназначенные для размещения в углу комнаты, могут быть смонтированы как на щите, прикрепляемом к стене, так и в трехгранном ящике. Если этот ящик — не фазоинвертор, то его верх должен быть открытым. На рис. 12 показан простой щит, на котором смонтирован двухполосный агрегат. Щит следует подвешивать в верхнем углу комнаты, оставив широкую щель между верхней кромкой щи га и потолком. Пространство сзади громкоговорителей рекомендуется заполнить звукопоглощающим материалом.

Рис. 11. Конструкция и размеры призмовидного фазоинвертора, предназначенного для размещения в углу комнаты. Площадь отверстия принимается равной эффективной площади диффузора; сторона а = 23,5 ³√R_диф , см, где R_диф — радиус диффузора, см.

Рис. 12. Конструкция и размеры щита, располагаемого в верхнем углу комнаты (размеры отверстий для громкоговорителей зависят от выбранных типов громкоговорителей)

Рупоры. Распространенным акустическим элементом, согласующим относительно высокое полное сопротивление громкоговорителя с сопротивлением нагрузки, создаваемым воздушной средой, является рупор. Правильно сконструированный рупор повышает сопротивление излучения и отдачу громкоговорителя в относительно широком диапазоне частот.

Однако эффективный рупор для воспроизведения достаточно низких звуковых частот должен быть значительных размеров, что и является главным недостатком этого вида акустического оформления. Поэтому рупоры в последнее время стали применять преимущественно в уличных громкоговорителях, которые не должны воспроизводить низшие частоты. Рупор чаще всего применяют в сложенном (согнутом) виде, когда одна его часть помещается в другой, как, например, это сделано в громкоговорителе Р-10 («колокольчик»).

Некоторое распространение получила конструкция сложенного рупора, показанная на рис. 13.

Рис. 13. Разрез сложенного прямоугольного рупора (так называемого лабиринта):

1. громкоговоритель;
2. ящик;
3. перегородка в ящике, являющаяся стороной рупора.

В настоящее время рупорные громкоговорители находят особо широкое применение в качестве высокочастотных звеньев («пищалок») в двух- и трехполосных агрегатах, так как при воспроизведении высших частот длина рупора и размеры .всего громкоговорителя становятся небольшими. При этом легкая подвижная система рупорного громкоговорителя будет весьма эффективно работать в области средних и высших частот. Недостатком рупорных громкоговорителей является острая характеристика направленности. Однако, .приняв некоторые специальные конструктивные меры, эту характеристику можно расширить в нужных пределах.

Одно из. таких решений — использование многоячеечного рупора, представляющего собой совокупность нескольких экспоненциальных рупоров одинакового размера, выходные отверстия (устья) которых, соприкасаясь смежными краями друг с другом, образуют многогранную (почти сферическую) поверхность (рис. 14). Многоячеечный рупор имеет достаточно широкую характеристику направленности в рабочей полосе частот. Угол диаграммы направленности здесь практически не зависит от частоты, так как он определяется пространственным расположением отдельных рупоров, хотя направленность каждого отдельного рупора повышается с частотой.

Рис. 14. Многоячеечный сферический рупор

Другое конструктивное решение — добавление к обычному рупору - рассеивающей насадки, работающей в качестве акустической линзы.

Акустические линзы применяются для уменьшения направленности громкоговорителей на частотах выше 2—3 кгц.

Принцип действия акустических линз основан (как и в оптических линзах) на изменении скорости распространения волн и использовании различия длины путей волн, проходящих через линзу в центре и на периферии. Изменение длины пути волн, а также скорости волн в акустической линзе обеспечивается наклонными каналами или щелями, удлиняющими путь звуковой волны, создаваемой громкоговорителем.

Рупор, подобно фильтру высоких частот, обладает в зависимости от размеров .низшей частотой воспроизведения, называемой критической частотой. Площадь поперечного сечения рупора (S) изменяется для наиболее эффективного экспоненциального рупора по закону:

S=S₀е^mх.

Здесь

• S — площадь поперечного сечения рупора на расстоянии х от входного (узкого) отверстия;
• S₀ — площадь входного отверстия (где х — о);
• m — коэффициент расширения рупора, который выражается равенством:

где

• f_н — нижняя воспроизводимая частота;
• λ_н — длина волны, соответствующая f_н;
• с — скорость звука — 340 м/сек.

На рис. 15 показана зависимость коэффициента расширения (т) от нижней воспроизводимой частоты (f_н). Из этой кривой можно видеть, что чем меньше нижняя воспроизводимая частота, тем медленнее должен расширяться рупор.

Рис. 15. Зависимость коэффициента расширения (m) экспоненциального рупора от нижней воспроизводимой частоты (f_н)

На практике часто используют рупор и прямоугольного сечения (рис. 16), причем такой длины, чтобы периметр его выходного, (большого) отверстия равнялся длине волны .нижней частоты: 2 (а+б)=λ_н.

Рис. 16. Экспоненциальный рупор прямоугольного сечения: а и б — ширина и высота выходного отверстия рупора; х — длина рупора

Выведем расчетную формулу для определения полной длины рупора (х). Взяв известное уже выражение площади поперечного сечения

прологарифмируем его и получим:

Из этого выражения, подставив значение т, можно определить полную длину рупора:

В качестве примера укажем, что рупор для нижней частоты 70 гц, у которого площадь входного отверстия 625 см² (25х25 см), должен иметь полную длину 1,23 м.

Следует отметить, что сложенный рупор, как показали практические испытания, хуже воспроизводит верхние частоты из-за потерь при отражении звука на изгибах рупора. Для защиты рупорного громкоговорителя от перегрузок и устранения искажений в области частот ниже граничной частоты рупора. рекомендуется включать фильтр высоких частот, отрезающий частоты ниже граничной частоты рупора.

Материал для ящиков акустических систем. Изготовлять ящики и щиты для акустических систем обычно рекомендуется из деревянных панелей толщиной 12— 15 мм; хорошим материалом служит фанера. Стенки ящика должны быть плотно подогнаны, и хорошо скреплены (склеены) между собой. Это необходимо для того, чтобы при работе громкоговорителя, смонтированного в ящике или на щите, не возникали вибрации на резонансных частотах панелей (стенок ящика). Эти вибрации порождают звуки, искажающие основной сигнал.

Средством борьбы с вибрациями панелей, используемых для акустического оформления, является увеличение жесткости последних дополнительными «ребрами жесткости» (планками) или утолщение (утяжеление) панелей. Однако простое увеличение жесткости лишь повышает резонансные частоты панелей и меняет характер их вибраций и излучения, гак как изменяется число вибрирующих поверхностей и их размеры. Утолщение панелей, кроме того, увеличивает вес и стоимость оформления. Наилучший эффект дает применение панелей из материала с повышенным декрементам затухания, параметром, характеризующим внутренние потери энергии в материале три его деформации (растяжении или сжатии).

Практически представление о пригодности .материала можно получить, если, держа панель на весу за один угол, ударить по ней суставом пальца или куском дерева; долгий звонкий звук после удара говорит о малом коэффициенте затухания, в то время как короткий, глухой звук указывает на значительные внутренние потери в материале. Фанера является наиболее подходящим материалом для панелей. Еще более подходящим материалом являются древесно-волокнистые пли: ты. иногда называемые сухой штукатуркой. При использовании этого материала для акустического оформления наружные поверхности панели можно оклеить тонкой фанерой из ценных пород дерева.

Самым простым средством для повышения затухания панелей акустического оформления является нанесение покрытия, обладающего повышенным декрементом затухания, на панель, изготовленную из любого материала, вплоть до алюминия или стали. Такое покрытие, называемое вибродемпфирующим, превращает часть колебательной анергии в тепло и понижает амплитуду колебаний панели, увеличивая ее механическое сопротивление. Поэтому вибропоглощающее покрытие должно, кроме повышенного декремента затухания колебаний, иметь и высокий модуль упругости, определяющий долю колебательной анергии, обращаемую в тепло.

Вибропоглощающим покрытием может служить широко распространенный кровельный материал—рубероид. Последний двумя-тремя слоями наклеивается на панель обычным резиновым клеем или клеем № 88. Более удобными для нанесения в качестве покрытия являются употребляемые в автомобильной промышленности так называемые противошумные мастики № 579 и 580, выпускаемые Ярославским и Челябинским лакокрасочными заводами.

Эти мастики делаются на битумной основе и «вносятся на панель жесткой кистью «ли лопаточкой. Затвердевают они при комнатной температуре. Толщина покрытия должна быть 2—4 мм. Следует иметь в виду, что .применение вибропоглощающего покрытия позволяет употреблять в 2—2,5 раза более тонкие деревянные или металлические панели без опасности увеличения их вибраций.

Необходимо также указать, что для вибропоглощающего покрытия непригодны такие широко распространенные материалы, как резина или войлок, потому что они, имея удовлетворительный декремент затухания, обладают недостаточным модулем упругости.

В заключение отметим, что нанесение вибропоглощающих покрытий может быть полезным не только в ящиках и щитах акустического оформления громкоговорителей, .но и во многих других случаях борьбы с вибрациями, например для ослабления вибраций панели грампроигрывателя, на которой установлены электродвигатель и звукосниматель.