3.1.2.3. Громкоговорители

Громкоговорители – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические колебания воздуха – слышимый звук. Громкоговорители входят в состав звуковоспроизводящей аппаратуры (магнитофоны, радиоприемники, телевизоры и т.п.), а также выпускаются в отдельном корпусе, в виде акустической системы (АС).

В связи с тем, что энергетические возможности колебаний при прочих равных условиях целиком зависят от частоты, технически невозможно изготовить громкоговоритель, одинаково хорошо воспроизводящий весь диапазон звуковых частот. Поэтому выпускается целый ряд громкоговорителей, каждый из которых предназначен для работы в своем ограниченном диапазоне частот.

Для обеспечения высокого качества воспроизведения звука в широком диапазоне частот применяют специальный комплект громкоговорителей (из двух и более) – акустическую систему. Каждый громкоговоритель системы работает в ограниченном диапазоне частот (рис. 135), что достигается применением специальных электрических фильтров.

Рис. 135. Типичный вид АЧХ трехполосной акустической системы

Низкочастотные громкоговорители воспроизводят диапазон частот от 20–50 Гц до 1000–2000 Гц. Они имеют значительные размеры и массу. Среднечастотные – предназначены для звуковоспроизведения в диапазоне от 500–1000 Гц до 3000–5000 Гц. Высокочастотные – работают в диапазоне от 3000–5000 Гц до 15 000–25 000 Гц. Мощность среднечастотных и высокочастотных головок меньше, чем низкочастотных. Это объясняется тем, что в реальном звуковом сигнале максимальную энергию несут звуки низких частот.

Электрическая (акустическая) мощность (англ. Power Handling) определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.

Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:

1) номинальная мощность (ГОСТ) громкоговорителя показывает, какую электрическую мощность можно длительное время подводить к громкоговорителю, не опасаясь его повреждения. Превышение номинальной мощности приводит к резкому увеличению нелинейных искажений;

2) паспортная (максимальная шумовая) мощность (ГОСТ) громкоговорителя показывает наибольшую мощность усилителя, с которым может работать данный громкоговоритель. Паспортная мощность в 1,3–2 раза больше номинальной;

3) характеристическая, при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. Рекомендуемое значение этого уровня составляет не ниже 94 дБ на расстоянии 1 метр;

4) максимальная (предельная) шумовая, или паспортная (англ. Power Handling Capacity),– мощность, при которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам. По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.

При выборе пары «усилитель + АС» желательно, чтобы максимальная мощность акустической системы превышала мощность усилителя приблизительно на 30 % и более. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики по причине подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня, например с усилителем мощностью 50 Вт на канал можно использовать АС с паспортной мощностью 75 Вт.

Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот (англ. Frequency response) – характеристика, в значительной степени определяющая естественность звучания акустики. Производители АС стремятся максимально приблизить значение этого параметра к максимальному диапазону воспринимаемому органами слуха человека (20–20 000 Гц). Типичные значения для полочной акустики – 100–20 000 Гц, для напольной – 40–20 000 Гц. За пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот интенсивность звука резко снижается.

В каталогах производителей и руководствах пользователя часто приводится график звукового давления, развиваемого акустической системой (график АЧХ), по которому можно определить как эффективный рабочий диапазон частот, так и неравномерность АЧХ (рис. 140, а). Чем меньше звуковое давление зависит от частоты, тем качественнее громкоговоритель или акустическая система.

Рис. 140. Частотная характеристика (а) и характеристика направленности громкоговорителя (б)

Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах (рис. 140, б).

Характеристическая чувствительность (англ. Sensitivity Efficiency) – отношение среднего звукового давления, развиваемого акустической системой в заданном диапазоне частот (обычно 100–8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС уровень характеристической чувствительности составляет 86–90 дБ. Этот параметр определяет, какой динамический диапазон, т. е. отношение максимального звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах, способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку, а также звуковое сопровождение кинофильмов.

Коэффициент нелинейных искажений (англ. Distortion Total Harmonic – THD) характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, и как результат – точность воспроизведения. Это очень важный параметр, так как вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего тракта звуковоспроизведения, как правило, является максимальным. Например, коэффициенты нелинейных искажений современного усилителя мощности проигрывателя компакт-дисков составляет сотые доли процента и ниже, в то время как типичное значение этого параметра для акустики – единицы процентов. С увеличением мощности воспроизводимого сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Важным параметром громкоговорителя является импеданс (номинальное электрическое сопротивление, определяемое на частоте 400 Гц). Необходимо выбрать акустическую систему с сопротивлением, соответствующим указанному в технических характеристиках усилителя (наиболее распространенные значения – 4, 8 или 16 Ом). Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя. Подключение громкоговорителя с меньшим электрическим сопротивлением может вывести усилитель или АС из строя. Допустимо подключение громкоговорителя с большим электрическим сопротивлением, но это приводит к снижению выходной мощности.

Громкоговорители звуковоспроизводящей аппаратуры следует располагать приблизительно на уровне головы слушателя. Для стереофонической аппаратуры большое значение имеет расстояние между громкоговорителями – стереобаза. Оптимальное значение стереобазы составляет 1,5–3 м. При меньшем расстоянии ослабляется стереоэффект. При большем – различаются два отдельно звучащих источника звука.