1.Двухконусные головки

Для того чтобы повысить частоту, начиная с которой диффузор теряет жесткость и начинается спад частотной характеристики, применяют двухконус­ные (двухдиффузорные) головки.

Рис.6.35. Головка с дополнительным диффузором

Малый диффузор имеет повышенную жесткость за счет специальной об­работки и малого угла раскрыва конуса. На низких и средних частотах оба ко­нуса колеблются как единое целое. Начиная с частот порядка 6001000 Гц, про­исходит постепенное "отключение" частей поверхности большого диффузора кольцевыми зонами, начиная от верхнего гофра, которые начинают колебаться с ничтожно малыми амплитудами. Объясняется это тем, что поперечные волны, распространяясь по поверхности диффузора в направлении верхнего гофра испытывают значительное затухание за счет потерь на внутреннее трение в материале. Величина этих потерь возрастает с частотой.

На более высоких частотах (в несколько ки­логерц) у большого диффузора эффективно колеблется только небольшая зона около звуковой катушки. Функция излучения постепенно переходит к малому диффузору. За счет такой конструкции удается расширить эффективно излу­чаемый диапазон частот до 1215 кГц.

В последнее время вместо второго конуса стали применять диффузоры со специальной пропиткой части конуса вблизи звуковой катушки, которая значи­тельно увеличивает жесткость.

В некоторых конструкциях применяют кольцевую гофрировку диффу­зора. С повышением частоты перестают колебаться один за другим внешние участки диффузора. На верхних частотах колеблется только участок, непосред­ственно примыкающий к звуковой катушке.

6. Компенсация индуктивного сопротивления звуковой катушки

Средством борьбы с эффектом роста индуктивного сопротивления звуко­вой катушки является размещение на верхней части керна (в кольцевом зазоре) короткозамкнутого кольца в виде медного колпачка с разрезом (рис.6.36). Ко­роткозамкнутое кольцо индуктивно связано со звуковой катушкой. Переменный магнитный поток, образованный наведенным в кольце током, направлен на­встречу магнитному потоку, созданному переменным током в катушке. Это эк­вивалентно уменьшению ее индуктивности. На низких частотах электродвижу­щая сила взаимной индукции мала и наличие кольца не оказывает влияния на сопротивление катушки.

Рис.6.36. Колпачок на торце керна

С ростом частоты электро­движущая сила взаимной индук­ции увеличивается, возрастает и встречный магнитный поток корот­козамкнутого витка. В результате рост индуктивного сопротивления звуковой катушки с частотой за­метно снижается (рис6.37). Приме­нение компенсирующего кольца повышает звуковое давление на 57 дБ, начиная с частоты порядка 2 кГц.

Компенсирующий колпачок для уменьшения потерь в нем изготавливают из красной меди

Рис.6.37. Влияние компенсирующего колпачка на частотную харак­теристику входного сопротивления головки

6.8. Рупорные громкоговорители

Назначение и свойства рупора

Основным недостатком головок прямого излучения является их низкий коэффициент полезного действия (КПД), который обычно не превышает 1–2 %. Причиной этого является несогласованность собственного механического сопротивления подвижной системы головки _пс (аналог внутреннего сопротивления источника) и нагрузки – сопротивления окружающей среды (сопротивления излучения ).

При работе головок прямого излучения на небольших площадях (комната, небольшой зал и др.) с малым КПД можно мириться, так как требуется неболь­шая потребляемая электрическая мощность. При озвучении больших площадей, залов, когда озвучение происходит на большие расстояния, требуются громко­говорители повышенной мощности. В этом случае уже необходимо заботиться о повышении КПД.

Рассмотрим более подробно вопрос согласования с нагрузкой. Из электротехники известно, что максимальную мощность источник отдает в нагрузку в согласованном режиме, когда его внутреннее сопротивление равно сопротивлению нагрузки (R_i=R_н). При работе электродинамической головки на воздушную среду собственное сопротивление механической подвижной системы головки оказывается значительно больше сопротивления среды, то есть сопротивления излучения: _пс >>_R. На рис.6.38 показана схема электрического аналога источника акустической мощности с нагрузкой и график ее отдачи в зависимоcти от соотношения _пс и _R.

Рис.6.38. Схема электрического аналога источника акустической

мощности и график ее отдачи в нагрузку

При отдаваемая в среду акустическая мощность мала, поэтому и мал КПД головки. Чтобы увеличить сопротивление излучения следовало бы увеличить площадь излучающего поршня. Однако при этом увеличится и его масса, которую на высоких частотах не "раскачать". Таким образом, оптимальные условия для выполнение двух функций диффузора (преобразование механических колебаний в акустические и излучение колебаний в окружающую среду) в принципе невыполнимы. Это противоречие можно разрешить путем разделения этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях. В них головка выполняет функцию преобразования механических колебаний в акустические, которые передаются на вход рупора. Рупор служит для согласо­вания сопротивлений механической системы головки и окружающей среды. Эк­вивалентом излучателя в этом случае служит слой воздуха в выходном отвер­с­тии, площадь которого можно сделать достаточно большой. При этом масса его оказывается невелика.

Рупором называют трубу с переменным сечением и жесткими стенками (рис.6.39).

Рис.6.39. Экспоненциальный рупор: S₀–площадь горла рупора:

S_l–площадь выходного отверстия-устья; l–длина рупора

Применяют рупоры с различным законом изменения их поперечного сечения. Наибольшее распространение получили экспоненциальные рупоры, у которых поперечное сечение изменяется по экспоненциальному закону:

Величина имеет размерность длины и называется показателем расширения рупора. Он определяет относительное возрастание сечения рупора на единицу его длины.

Распространение волн в экспоненциальном рупоре характеризуется зависимостью фазовой скорости U синусоидальной волны от ее частоты:

, где

– критическая частота рупора; с–скорость звука.

Волновой процесс в таком рупоре возможен лишь на частотах, лежащих выше критической, так как при _кр фазовая скорость становится бесконечной, а при  < _кр–мнимой. Это означает невозможность волнового процесса, так как частицы среды в рупоре будут совершать синфазные колебания. Фактически столб воздуха, заключенный в рупоре, будет колебаться как единое целое. Инерциальное сопротивление его массы будет определять входное сопротивление. Рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее в механическую систему. С ростом частоты (>_кр) фазовая скорость быстро убывает, приближаясь к скорости звука в неограниченной среде. При этом появляется возможность возникновения волнового процесса за счет изменения фазы колебаний частиц среды с расстоянием, как в плоской волне.

Входное сопротивление рупора, на которое нагружен излучатель, размещенный в начальном сечении S₀:

Рассмотрим частотные характеристики компонент входного сопротивления рупора бесконечной длины. Такой рупор с бесконечно большой площадью выходного отверстия обеспечил бы идеальное согласование с окружающей средой, что исключило бы появление отраженной волны от его устья. Из рис.6.42 видно, что активная часть входного сопротивления превышает реактивную, начиная с частоты и рупор оказывается в состоянии эффективно нагрузить головку. При заданных площадях входного S₀ и выходного S_l отверстий рупора его длина равна

Из последней формулы видно, что для понижения нижней границы излучаемого диапазона частот необходимо увеличивать площадь выходного отверстия и уменьшать критическую частоту, что повлечет за собой увеличение длины рупора.

Активная часть входного сопротивления связана с излучаемой акустической мощностью соотношением

, где

V₀ –эффективное значение колебательной скорости на входе рупора.

На практике рупор бесконечной длины создать естественно невозможно. Рупор же конечной длины не обеспечивает полного согласования волнового сопротивления рупора с сопротивлением излучения, нагружающим выходное отверстие со стороны внешней среды. В результате этого появляется отраженная от устья волна, которая у поверхности диффузора головки будет складываться в различных фазах с прямой волной. В частотной характеристике компонент входного сопротивления рупора появятся чередующиеся максимумы и минимумы (рис.6.40–пунктир). Интересно то, что при конечной длине рупора активная компонента входного сопротивления существует даже при   _кр.

Рис.6.40.Частот­ные характерис­тики активной и реактивной компонент входного сопротивления рупора бесконечной и конечной (пунктир) длины

Замечательным свойством рупора является его способность концентриро­вать излучаемую энергию в осевом направлении. Диаграмма направленности рупора с круглым сечением представляет собой эллипсоид вращения (рис.6.41).

Рис.6.41. Диаграмма направленности рупора с круглым отверстием

В заключение отметим, что применение рупора позволяет существенно повысить КПД излучателя за счет улучшения согласования с нагрузкой. Концентрация излучаемой энергии в осевом направлении создает большое осевое звуковое давление, что особенно важно при озвучении больших площадей и работе на большие расстояния.

С ростом частоты диаграмма направленности рупора сужается. Для расширения диаграммы направленности применяют секционированные рупоры. Акустические оси выходных отверстий секций разворачивают под определенным углом друг от друга.

На практике применяют рупорные громкоговорители двух типов: широкогорлые и узкогорлые. Рассмотрим особенности их работы.

Широкогорлые рупорные громкоговорители

В качестве излучателя в конструкции широкогорлых рупорных громкоговорителей применяются обычные электродинамические головки соответствующей мощности. Входное отверстие имеет площадь, близкую к площади основания конуса головки. Поэтому их и называют широкогорлыми.

Рис.6.46. Конструкция широкогорлого рупорного громкоговорителя:

1–рупор; 2–электродинамическая головка; 3–согласующий трансформатор; 4–колпак

Обратная сторона головки закрыта колпаком для исключения акустического короткого замыкания. Кроме того, он защищает головку от механических и атмосферных воздействий. Согласующий трансформатор необходим потому, что на звуковую катушку необходимо подавать напряжение 5–8 В, в то время как стандартная сетка напряжения в линиях систем проводного вещания принята 30, 120, 240 В.

Применение рупора повышает КПД до 710 %.

Частотная характеристика в основном определяется частотной характери­стикой головки. Однако граница области нижних частот повышается за счет того, что резонансная частота головки увеличивается из-за упругости воздуха внутри колпака, точно также как и в закрытом ящике. В результате диапазон эффективно воспроизводимых частот широкогорлого рупорного громкоговори­теля составляет 1507000 Гц.

Узкогорлые рупорные громкоговорители

В данном типе громкоговорителя в качестве излучателя используется головка с жесткой поршневой диафрагмой сравнительно небольшого размера, однако с площадью S_д, значительно превышающей площадь входного отверстия рупора S₀.

Между диафрагмой и входом рупора располагается предрупорная камера, представляющая собой акустический трансформатор3. Последний применяется для согласования механического сопротивления подвижной системы головки с входным сопротивлением рупора. Поскольку входное отверстие рупора имеет небольшую площадь S₀, то и его входное сопротивление будет тоже небольшим: . В полосе пропускания можно считать величиной активной и равной .

Коэффициент трансформации предрупорной камеры . Здесь S_д –площадь диафрагмы. Входное сопротивление рупора, пересчитанное к диафрагме через трансформатор, увеличится в n² раз:

В результате действия такого акустического трансформатора диафрагма оказывается нагружена более эффективно, чем у широкогорлого рупорного громкоговорителя. КПД узкогорлых громкоговорителей может быть доведен до 1520 %.

На рис.6.43 схематично изображен разрез конструкции узкогорлого рупорного громкоговорителя.

Рис.6.43.Схематическое изображение соединения го­ловки с рупором: S_д–площадь излучающей диафрагмы; S₀–площадь горла рупора;с₀–гиб­кость воздуха в предрупорной камере; r₀–входное сопротивле­ние рупора; m–масса диа­фрагмы; r–сопротивление по­терь в гибком креплении диа­фрагмы; с–гибкость крепления

На рис.6.44 изображена схема электрического аналога подвижной системы головки и предрупорной камеры.

Рис.6.44.Схема электрического аналога головки и предрупорной камеры: а–схема аналога с акустическим трансформатором; б–схема с пересчитанным в первичную обмотку входным сопротивлением рупора

Из рис.6.44 видно, что гибкость воздуха в камере с₀ шунтирует входное сопротивление рупора и тем больше, чем больше объем камеры. Это является одной из причин спада частотной характеристики на верхних частотах. Второй причиной является интерференция волн в предрупорной камере.

На частотах, на которых длина волны соизмерима или меньше размеров камеры, элементарные волны, идущие от центра и краев диафрагмы, будут приходить к горлу рупора не в фазе. Сдвиг фаз будет ,где –разность хода лучей.

Это обстоятельство дополнительно увеличивает спад частотной характеристики на верхних частотах. Для уменьшения этого эффекта в камере размещают вкладыш (рис.6.45–б), который увеличивает путь звуковых лучей от центра диафрагмы к горлу рупора. В результате разность хода лучей от центра и краев диафрагмы уменьшается. Спад частотной характеристики при этом сдвигается в область более высоких частот.

За счет вкладыша объем камеры уменьшается, уменьшается, следовательно, и гибкость воздуха в ней. Шунтирующее действие гибкости с₀ становится меньше, что значительно улучшает излучение в области верхних частот. Использование вкладыша расширяет полосу воспроизводимых частот до 34 кГц.

С другой стороны для обеспечения большой мощности на низких часто­тах необходимо иметь большое смещение диафрагмы, что возможно только при большом объеме камеры. Эти противоречивые требования ограничивают об­ласть использования узкогорлых рупорных громкоговорителей только переда­чей речевой информации, так как они могут обеспечить эффективное воспроиз­ведение диапазона частот только от 200 до 4000 Гц. Тем не менее, они находят широкое применение из-за большого КПД и высокой концентрации звуковой энергии в осевом направлении. Это делает их незаменимыми при озвучении улиц, площадей, больших цехов и т.п.

Рис.6.45. К пояснению влияния интерференции волн в предрупорной камере: а–интерференция волн от центра и краев диафрагмы; б– интерференция волн при наличии вкладыша

Нелинейные искажения, вносимые узкогорлыми рупорными громкоговорителями имеют свою специфику. Амплитуда смещения диафрагмы в камере максимальна на нижних частотах. При смещении диафрагмы внутрь камеры объем ее уменьшается. Уменьшается при этом гибкость воздуха в камере, а значит и шунтирующее действие с₀. Если при этом подать в катушку сигнал высокой частоты, то амплитуда его по звуковому давлению будет максимальна.

Когда диафрагма выходит из камеры объем камеры увеличивается, увеличивается и гибкость воздуха с₀. Амплитуда давления высокочастотного сигнала в горле рупора уменьшается. Происходит амплитудная модуляция высокочастотного сигнала низкочастотным, вследствие чего появляются дополнительные гармонические составляющие, отсутствующие в исходном сигнале.

Следующей причиной появления нелинейных искажений является перегрузка горла рупора. Если акустическая мощность в горле рупора превышает значение 1 Вт/см² синусоидальная волна превращается в ударную, которая характеризуется резким возрастанием градиента давления между зоной сжатия и впереди лежащей зоной разрежения. Объясняется это тем, что фазовая скорость волны при больших амплитудах, зависящая от полного давления в среде, оказывается различной для разных участков волны. Зоны сжатия, где полное давление больше, перемещаются в пространстве быстрее, чем зоны разрежения. При этом утрачивается синусоидальная форма волны и появляются нелинейные искажения.

Если требуется громкоговоритель на большую мощность, то несколько головок (каждая со своей предрупорной камерой и горлом рупора) нагружают на один общий рупор (рис.6.46).

Рис.6.46. Конструкция узкогорлого рупорного громкоговорителя

повышенной мощности с двумя головками

Для уменьшения габаритов рупоры делают свернутыми, в которых звуковая волна меняет направление в каждой секции.

Отметим, что расширить полосу воспроизводимых частот можно только ценой уменьшения излучаемой мощности. В этом случае можно применить камеру меньших размеров, что улучшит отдачу на верхних частотах. При малой мощности будет мала и амплитуда смещения диафрагмы на низких частотах. Это позволит при малом объеме камеры расширить полосу в сторону нижних частот без риска задевания диафрагмы с одной стороны за керн, с другой за вкладыш.