Классификация и конструкция акустических систем

История

История устройства, преобразующего энергию электрического сигнала в энергию звукового поля, началась в конце XIX века, задолго до появления усилителей мощности. В 1849 году на Кубе изобретатель итальянского происхождения Антонио Меучи (1808-1896) сконструировал «говорящий телеграф». Но, не имея достаточных средств на регистрацию, не смог запатентовать устройство, хотя и подал заявку с подробным описанием. В 1855 году Меучи организовал в собственном доме телефонную связь, чтобы больная супруга могла вызывать его, когда ей становилось плохо. В 1860 году при демонстрации автором своего изобретения, голос певца передавался на расстояние нескольких миль по проводам. Стоит упомянуть, что рисунки «говорящего телеграфа» были опубликованы Меучи в 1870 году, на 6 лет раньше Александра Белла.

Не имея возможности выплатить сумму в 250 долларов за регистрацию патента, Меучи несмотря ни на что ежегодно, с 1871 по 1873 год, подавал заявки на «говорящий телеграф». В 1872 году он даже обратился с предложением продемонстрировать возможности своего изобретения к вице-президенту филиала телеграфной компании Western Union, предоставив техническое описание «говорящего телеграфа». Но при всех обращениях в компанию Меучи постоянно слышал ответ, что на испытания нет времени. После двух лет ожидания Меучи потребовал возвращения своих материалов, но в компании ответили, что документы утеряны... Из-за недостатка средств супруга итальянца продала многие из его изобретений. Прототип «телефонного аппарата» достался скупщику поддержанных вещей за 6 долларов. Когда Меучи попытался выкупить эти «драгоценные» предметы, ему сообщили, что они были перепроданы «неизвестному молодому человеку»...

26 октября 1861 года преподаватель физики Фридрихсдорфского института Иоганн Филипп Райз (1834—1874) сделал в Физическом обществе Франкфурта-на-Майне доклад «О телефонии посредством электрического тока». Райз продемонстрировал самодельный аппарат, названный им «музыкальным телефоном». Прибор состоял из передатчика, гальванической батареи, соединительного провода и приемника. Под влиянием звуковых волн перепонка передатчика, выполненная из свиной кишки, приходила в колебание. Перепонка погружала в ртуть и извлекала из нее платиновый штифт, связанный линейным проводом с концом медной обмотки катушки приемника. В результате, в цепи создавался прерывистый ток, под действием которого стальной стержень приемника намагничивался и размагничивался, что и обусловливало звучание аппарата. Громкая мелодия была отчетливо слышна на расстоянии 100 м, воспроизводились звуки фортепьяно и духовых инструментов. Однако связную человеческую речь передавать не удавалось, так как передатчик и приемник были недостаточно чувствительны.

Телефон Райза особого успеха не имел. В печати появилось несколько иронических статей, а немецкий семейный журнал «Гартенлаубе» в 1863 г. дал его описание как забавной игрушки. Предприимчивый немецкий механик Альберт выпустил около 20 игрушечных телефонов Райза, и несколько из них даже были проданы. Одна из таких игрушек очутилась в шотландском университете в Эдинбурге, в котором в то время работал Александр Грейем Белл (1847—1922). Ознакомившись с идеей, практичный Белл задумал использовать принцип телефона Райса в другом приборе – для глухих и слабослышащих людей, который бы превращал звук в световые сигналы.

Позже в Бостоне Белл работал над другим устройством, позволявшим передавать одновременно семь телеграфных сообщений по одному проводу. Число семь было не случайным и увязывалось с количеством нот. С каждой стороны аппарата, передающей и принимающей, Белл парами использовал по семь гибких металлических пластинок; каждая пара настраивалась на определенную частоту. Как-то раз, в процессе настройки, конец одной из пластинок на передающей стороне системы случайно приварился к контакту. Помогавший при этом Беллу механик Уотсон, пытаясь устранить неисправность, выражался громко и нецензурно. Сам Белл, тем временем, «налаживал» приемные пластинки в другой комнате, и смог уловить едва слышные ругательства своего помощника...

14 февраля 1876 года Александр Белл подал заявку в американское Патентное бюро на изобретение прибора, ставшего прототипом современного телефона. В тот же день, но на 2 часа позже Белла, Элайша Грей подал заявку на изобретение аналогичного устройства. В дальнейшем, еще как минимум 12 изобретателей безуспешно пытались оспорить первенство Белла. В течение следующих 11 лет было подано более 600 исков о нарушении авторских прав, но все они были решены в пользу Белла. Патент № 174465, выданный 7 марта 1876 года, до сих пор считается одним из самых значимых в истории...

Конструктивно телефон Белла представлял собой трубку, внутри которой находились кожаная мембрана, магнитная система и катушка индуктивности. Микрофон в его аппарате отсутствовал. Вместо него был установлен второй, такой же телефон, в котором непосредственно под воздействием звуковых волн создавались электрические колебания. Электромагнитный преобразователь, как и любая другая электрическая машина, отвечает сформулированному Гельмгольцем принципу взаимности и работает «в обе стороны». Однако производимый таким устройством ток слишком мал для преодоления больших сопротивлений. Первые телефоны Белла работали на расстоянии не более 500—600 м.

Впоследствии конструкция телефона многократно совершенствовалась Сименсом, Грэйем, Эдисоном и др., но принцип работы электродинамического громкоговорителя остался практически неизменным.

В то же время появились акустические системы, построенные на другом принципе. В первой «говорящей машине» Томаса Эдисона мембрана, создававшая акустические колебания механически соединялась с иглой, скользящей по канавке на барабане из олова. Глубина канавки менялась в соответствии с записанным сигналом. Этот аппарат положил начало звукозаписи и стал предвестником появления виниловых пластинок. Граммофоны и патефоны использовали для усиления сигнала сжатый воздух.

Вообще, первый патент, в котором описывался «магнитоэлектрический аппарат для получения механического движения электрической катушки в результате протекания через нее электрического тока», был опубликован в 1874 году немецким изобретателем и основателем знаменитой компании Эрнстом Сименсом. Согласно описанию, этот аппарат представлял собой круглую катушку с намотанной проволокой, расположенную в радиальном магнитном поле и имеющую специальную поддержку, которая обеспечивала возможность вертикального смещения. Изобретатель указал на использование такого механизма для получения звука, но не подтвердил это на практике. В 1898 году Оливером Лоджем была запатентована конструкция электродинамического громкоговорителя. Однако практического применения эти изобретения тогда не получили — еще не было достаточно мощного источника, который позволил бы раскачать головку громкоговорителя с подвижной катушкой.

Принцип работы электродинамического излучателя был запатентован лишь в 1924 году Честером Райсом и Эдвардом Келлогом, которые в то время трудились в лабораториях фирмы General Electric. Их идея базировалась на сложении двух простых физических принципов. Акустическая мощность увеличивается с квадратом частоты при условии, что скорость смещения диафрагмы является постоянной. Однако, если использовать колебания диафрагмы в области частот, значительно превышающих ее резонанс, т. е. там, где движение контролируется массой, то квадрат скорости смещения будет убывать с квадратом частоты. При суммировании этих двух факторов можно получить равномерную характеристику излучения в области средних частот. Так фактически был создан излучатель со звуковой катушкой и диафрагмой, работающей в диапазоне выше ее резонансной частоты.

Уже в 1926 году появилась первая промышленная модель такого аппарата — «Radiola Model 104» со встроенным усилителем мощностью 1 Вт. Одновременно на рынке появился радиоприемник «Radiola 28», в составе которого использовался данный громкоговоритель.

В первых электродинамических громкоговорителях катушки были высокоомные. В них использовались тканая подвеска и электромагниты с питанием постоянным током. В 1927 году английский инженер ENGLISH ELECTRIC Co Гарольд Хартлей предложил установить в динамической головке, взамен устройства подмагничивания, постоянный магнит. Производство мощных магнитов для нужд электропромышленности к тому времени было уже налажено, и о стабильном сохранении их параметров было известно. Разработанный инженером Хартлеем громкоговоритель воспроизводил звуки без искажений, «правильно», и применительно к нему был введен в обращение термин Hi-Fi (High Fidelity). Термин закрепился, и его применение распространилось на другие разновидности звуковой аппаратуры.

В России работы по созданию громкоговорителей различных типов шли почти в ногу с развитием мировой аудиотехники. В 1923 году в Петрограде была создана Центральная радиолаборатория. В 1926 году были созданы громкоговоритель «Рекорд» и рупорный уличный громкоговоритель «ТМ». В 1929 году А.А. Харкевич и К.А. Ламагин разработали первый образец диффузорного «динамика». В 1930-1932 годах были созданы первые мощные громкоговорители (100 Вт) для систем звукоусиления на Красной площади.

В настоящее время более 90% используемых акустических систем имеют в своем составе электродинамические головки. Конечно, развитие технологий привело к значительному улучшению качества их звучания и достоверности передачи сигналов, но принцип работы остается неизменным уже почти 100 лет.

Среди современных устройств, встречаются акустические системы, излучатели которых работают по иному принципу, — электромагнитные, плазменные, электростатические, ионофонные и др. Перспективными являются разработки акустических систем на нанотрубках, в которых колебания воздуха возникают из-за разности температур, а не за счет движения мембраны.

Характеристики акустических систем

Акустическая система – устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в воздушной среде, включающее один или несколько звуковых излучателей в акустическом оформлении. Характер звучания определяют не только параметры установленных излучателей, но и их взаимное расположение, конструкция корпуса, встроенные пассивные фильтры и многие другие элементы акустических систем. Поэтому, с точки зрения потребителя, правильнее рассматривать характеристики акустических систем в целом, а не излучателей в отдельности. С другой стороны, специалисту важно знать, какие элементы использовались при построении громкоговорителя и какими они обладают характеристиками, чтобы оценить какой вклад в улучшение или ухудшение звучания вносит каждый из них, а, значит, оценить целесообразность их применения.

К основным параметрам акустических систем относятся:

• Подводимая электрическая мощность;
• Электрическое входное сопротивление;
• Диапазон воспроизводимых частот и нелинейность амплитудно-частотной характеристики в пределах диапазона воспроизводимых частот;
• Чувствительность;
• Коэффициент нелинейных искажений;
• Диаграмма направленности.

Дополнительно могут указываться:

• Динамический диапазон;
• График зависимости звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала;
• Коэффициент полезного действия;
• Параметры Тиля-Смолла;
• некоторых элементов конструкции – разделительных фильтров, фазоинвертора и др.

Разумеется, для акустических систем указываются немаловажные эксплуатационные характеристики:

• Масса;
• Габаритные размеры.

Подводимая электрическая мощность

Подводимая электрическая мощность – один из самых простых и самых коварных параметров в аудиотехнике. С одной стороны, чем она выше, тем большей громкости звучания можно добиться (да и то с оглядкой на чувствительность и динамический диапазон). Однако с увеличением подводимой мощности увеличиваются искажения сигнала, связанные с инерционностью и недостаточной жесткостью диффузора, с неравномерностью магнитного поля, которое сказывается при больших амплитудах движения катушки и т.д. Таким образом, указывая мощность акустической системы, производитель обязан указать – при каких параметрах она обеспечивается, в каких условиях была измерена. Единства в этом вопросе до сих пор не наблюдается.

Среди самых многочисленных типов электрической мощности акустических систем можно выделить самые распространенные:

• Номинальная мощность – подводимая электрическая мощность, при которой нелинейные искажения не превышают указанного значения или значения, определенного для данного метода измерения.

  Необходимо отметить, что громкость и подводимая мощность – хоть и связанные понятия, но эта связь неоднозначна. Не имея данных о характеристической чувствительности, нельзя судить о том, какая акустическая система звучит громче. Здесь можно столкнуться с неожиданным фактом: громкоговоритель X при подведении мощности, например, 10 Вт звучит значительно громче громкоговорителя Y, хотя подводимая к нему мощность составляет, например, 20 Вт.

• Максимальная мощность – подводимая мощность, при которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений.

  Обычно при измерении громкоговорители «пытают» так называемым «розовым шумом» – шумовым сигналом со спектром, очень напоминающим музыкальный сигнал. Однако, при измерении иногда используют синусоидальный сигнал. Дополнительно некоторые производители указывают максимальную долговременную и максимальную кратковременную мощность. Для получения этих характеристик акустическую систему «мучают» тем же, шумовым или синусоидальным, сигналом, но в течение короткого интервала времени – одной минуты при максимальной долговременной и одной секунды при максимальной кратковременной мощности.

  Естественно, при измерении максимальной мощности коэффициент нелинейных искажений не нормируется. В связи с этим, данный параметр еще менее информативен, чем номинальная мощность и характеризует только запас прочности акустической системы – способность работать длительное время при перегрузках.

• PMPO (Peak Music Power Output) – максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени. Хотя такое определение не является официальным, но оно более всего подходит к данному термину. Измерения проводят в течение очень малого времени (обычно не более 2-х секунд) с помощью тестового сигнала частотой менее 250 Гц. Акустическая система считается прошедшей испытание, если нет заметных на слух искажений.

  Как следует из описания, в практическом применении параметр PMPO – виртуальный и бессмысленный. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях на акустические системы, вводя в заблуждение многочисленных покупателей. В связи с этим можно лишь посетовать на отсутствие единых обязательных стандартов измерения и на недобросовестность производителей.

Электрическое входное сопротивление

Входное сопротивление – полное сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1 кГц. Поскольку музыкальный сигнал далек от гармонического, то и сопротивление акустической системы будет изменяться в зависимости от частоты. Более того, протекающий через акустическую систему ток зависит не только от действующего напряжения, но и от предыстории – система помнит, что происходило 50 – 200 мс назад и даже раньше. Закон Ома в такой ситуации можно применять только с оговорками.

Входное сопротивление практически ничего не определяет в качестве звучания, но необходимо для согласования с усилителем мощности. Если входное сопротивление акустической системы ниже, чем номинальное для усилителя сопротивление нагрузки, то в воспроизводимом сигнале будут велики нелинейные искажения. В случае уменьшения нагрузки ниже допустимого предела, в усилителе сработает система защиты, и он отключится от акустической системы. Если входное сопротивление акустической системы выше, то громкость звучания будет значительно ниже.

Диапазон воспроизводимых частот

В настоящее время нет ни одного звукового излучателя, который одинаково хорошо воспроизводит все слышимые человеком частоты. Еще в 20-х годах XX века Райс и Келлог в своих теоретических работах предлагали для воспроизведения разных диапазонов частот использовать различные участки диффузора. Принято условное разделение частотного диапазона на три участка – низкие, средние и высокие частоты. Диффузор большого диаметра хорошо воспроизводит низкие частоты, но из-за большей массы и, как следствие инертности, хуже справляется с высокими частотами. Как правило, современные акустические системы являются многополосными, то есть, для воспроизведения каждого диапазона частот, в них используются отдельные излучатели, зачастую даже различного типа. Такой прием значительно усложняет расчеты, конструкцию корпуса и вызывает необходимость применения пассивных или активных кроссоверов – фильтров, разделяющих спектр электрического сигнала на отдельные участки. Однако, при этом удается добиться достаточно ровной амплитудно-частотной характеристики акустической системы в широком диапазоне частот. Субъективно неравномерность амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик воспринимается как искажение тембра, и вред ее для музыкального сигнала вполне сопоставим с последствиями нелинейных искажений. Необходимо отметить, что лучшие современные акустические системы имеют нелинейность АЧХ в пределах 1-5дБ. Для сравнения, контрольные акустические системы (мониторы), представленные на выставке в Брюсселе в 1956 году, имели неравномерность 15 дБ.

Диапазон воспроизводимых частот, как правило, должен указываться при заданной неравномерности амплитудно-частотной характеристики. Однако, на некоторых участках АЧХ многих акустических систем имеет существенные провалы или подъемы и поэтому ее неравномерность чаще всего не указывают. Нередко производители приводят в технической документации амплитудно-частотную характеристику, т.е. график зависимости звукового давления, развиваемого акустической системой от частоты, подводимого к ней сигнала. Звуковое давление, как правило, измеряется на расстоянии 1м по оси излучения, а мощность подводимого сигнала соответствует номинальной.

Чувствительность

Характеристическая чувствительность – это уровень звукового давления, развиваемого акустической системой на расстоянии 1м по оси излучения при подаче на нее электрического сигнала частотой 1кГц и мощностью 1Вт.

Именно чувствительность определяет коэффициент полезного действия громкоговорителя и уровень звукового давления, а, следовательно, громкости, создаваемого им при номинальной подводимой мощности. Удвоение подводимой электрической мощности приведет к увеличению звукового давления на 3дБ. Например, акустическая система с чувствительностью 98дБ и номинальной мощностью 300Вт обеспечивает звуковое давление на расстоянии 1м равное:

SPL = SPL(1Вт)+10 lgP = 98 + 10 lg300 = 123дБ.

Система с чувствительностью 92 дБ при той же мощности обеспечивает максимальный уровень звукового давления:

SPL = 92 + 10 lg300 = 117дБ.

Таким образом, разница между первой и второй системами составит 6дБ, что эквивалентно 4-кратному увеличению мощности! Иначе говоря, для того чтобы добиться одинакового уровня громкости при прочих равных условиях к первой системе потребуется подвести мощность в 4 раза меньшую, чем ко второй.

Коэффициент нелинейных искажений

Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре сигнала новых составляющих, отсутствующих в первоначальном сигнале. Их количество и амплитуды зависят от изменения входного уровня. Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, то есть нелинейностью передаточной функции. Причиной нелинейности могут являться конструктивные и технологические особенности электроакустических преобразователей.

Например, в электродинамических громкоговорителях к числу основных причин нелинейности относятся:

• нелинейные упругие характеристики подвеса и центрирующей шайбы;
• нелинейная зависимость смещения звуковой катушки от величины приложенного напряжения из-за взаимодействия катушки с магнитным полем и из-за тепловых процессов в громкоговорителях;
• нелинейные колебания диафрагмы при большой величине воздействующей силы;
• колебания стенок корпуса;
• эффект Доплера при взаимодействии различных излучателей в акустической системе.

Нелинейные искажения возникают практически во всех элементах звукового тракта: микрофонах, процессорах эффектов, кроссоверах, усилителях, акустических системах.

Нелинейные искажения можно разделить на гармонические и интермодуляционные. Соответственно указывают коэффициент гармонических (THD) и коэффициент интермодуляционных искажений (IMD). Гармонические искажения определяются амплитудами паразитных гармоник в спектре выходного сигнала, частоты которых кратны частоте основного тона. Ярким примером гармонических искажений могут служить «обертоны», которые неизбежно появляются при игре на акустических музыкальных инструментах. Интермодуляционные искажения – результат сложения и вычитания частот гармонических сигналов, которые подаются на вход акустической системе. Подобные искажения практически не коррелируют с основными тонами музыкального сигнала и привносят в него «резкий» фоновый шум. Следует отметить, что слуховая система чрезвычайно чувствительна к наличию нелинейных искажений в акустических преобразователях. «Заметность» гармонических составляющих зависит от их порядка, в частности, к нечетным составляющим слух наиболее чувствителен. При многократном прослушивании восприятие нелинейных искажений обостряется, особенно при прослушивании отдельных музыкальных инструментов. Частотная область максимальной чувствительности слуха к этим видам искажений находится в пределах 1-2кГц, где порог чувствительности составляет 1-2%.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности — зависимость уровня звукового давления, развиваемого акустической системой, от угла отклонения слушателя от оси излучения.

Ширина диаграммы направленности — угол излучения акустической системы, при заданном уровне неравномерности звукового давления.

Большинство громкоговорителей имеют направленные свойства, т.е. при отклонении от оси излучения уровень звукового давления уменьшается. Сформированные в 30-е годы XX века принципы стереозаписи и воспроизведения подразумевают, что до левого и правого уха слушателя звуковые волны доходят одновременно и с заданным уровнем громкости. Например, за счет того, что у человека есть два глаза, он способен понять, какой из видимых предметов находится ближе. Точно также он ощущает объем и в музыке. Небольшое несоответствие при воспроизведении левого и правого каналов основательно разрушает звуковую «пространственную картинку». Поэтому при проектировании звуковых систем важно учитывать ширину диаграммы направленности применяемых громкоговорителей.

Ширина диаграммы направленности учитывается не только в стерео системах. Этот параметр, например, определяет количество и расстановку громкоговорителей в системах оповещения и управления эвакуацией, в которых по требованию нормативных документов, в каждой точке помещения, уровень звукового давления не должен быть ниже определенного значения. Это обеспечивает слышимость и разборчивость транслируемых сообщений.

Существуют ненаправленные акустические системы, но такие конструкции встречаются очень редко. Их диаграмма направленности представляет собой сферу, сжатую в вертикальной плоскости, а ее ширина в горизонтальной плоскости составляет 360 градусов.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — это отношение максимального уровня звукового давления, создаваемого акустической системой к минимальному. Как правило, широким динамическим диапазоном отличается классическая музыка, звуковое сопровождение театральных постановок и художественных фильмов.

Динамический диапазон характеризует способность акустической системы эффективно воспроизводить составляющие музыкального сигнала, которые существенно отличаются друг от друга по уровню громкости. Узким динамическим диапазоном обладают, как правило, низкочувствительные громкоговорители. Их АЧХ при малой подводимой мощности имеет существенные провалы, что чаще всего выражается в потере высокочастотных и низкочастотных составляющих. Очень многие бытовые громкоговорители имеют проблему «первого ватта», которая характеризуется невозможностью развить при малой подводимой мощности необходимое для качественного восприятия сигнала звуковое давление. Однако, при номинальной подводимой мощности те же громкоговорители могут звучать вполне прилично и составлять конкуренцию моделям именитых брендов.

Данный параметр редко указывается, поскольку в некоторой мере вытекает из чувствительности громкоговорителей. Хорошим тоном в мире акустических систем считается динамический диапазон не менее 90дБ.

Зависимость звукового давления от частоты

График данной зависимости наиболее точно характеризует частотные свойства акустической системы, поскольку диапазон воспроизводимых частот и неравномерность АЧХ вычисляются именно из него. График наглядно показывает все пики и провалы амплитудно-частотной характеристики громкоговорителя и, поэтому, является более полезным для понимания характера его звучания, а также возможных проблем при воспроизведении, связанных с его внутренними резонансами.

Коэффициент полезного действия

КПД электродинамических громкоговорителей не превышает одного процента (для рупорных излучателей это значение может достигать 15-20%). Излучатели другого типа тоже не слишком далеко продвинулись в улучшении данного параметра. К сожалению, преобразование электрической энергии в акустическую – процесс не самый эффективный (с энергетической точки зрения). Однако, технические возможности, получаемые за счет такого преобразования и колоссальный экономический эффект заставляет мириться с энергетическими тратами. Да и более эффективных способов реализации данного преобразования человек пока не придумал. В свете вышеизложенного, становятся вполне очевидными причины, по которым КПД акустических систем производителями не указывается.

Кроме того, мерой КПД является характеристическая чувствительность, которая указывается в паспорте на любой громкоговоритель.

Параметры Тиля-Смолла

Параметры Тиля-Смолла – набор электроакустических параметров электродинамических излучателей (динамических головок), которые приводятся производителями в качестве справочной информации для разработчиков акустических систем. Они характеризуют поведение динамика в области низких частот при малых уровнях сигнала, когда колебательные движения диффузора можно сравнивать с работой поршня.

В 60-х годах прошлого века инженеры-акустики Тиль и Смолл доказали, что «характеристики громкоговорителя в области низких частот могут быть адекватно описаны с помощью трех параметров»:

• резонансная частота динамической головки. При установке динамика в корпус резонансная частота может только возрастать;
• полная добротность динамика, которая вычисляется на основе двух составляющих: электрической и механической добротностей на резонансной частоте. Электрическая составляющая характеризует мощность магнитного тормоза, препятствующего раскачке диффузора вблизи резонансной частоты. Механическая составляющая характеризует потери в упругих элементах подвеса. Величина механической добротности всегда меньше электрической;
• эквивалентный объем (объем воздуха, который обладает такой же жесткостью, что и подвес, при воздействии на него поршня площадью, равной эффективной площади диффузора).

Для технически подкованных покупателей такие параметры могут рассказать многое, но с практической точки зрения приводить их для готового устройства нецелесообразно, так как это зачастую осложняет и без того непростой выбор акустических систем.

Параметры элементов конструкции

Параметры таких элементов конструкции, как, например, фазоинвертор, разделительный фильтр, иногда приводятся производителями, чтобы похвастаться перед покупателями и конкурентами оригинальным техническим решением, либо чтобы заполнить пустое место на листе. В принципе, основные характеристики акустической системы измерены с учетом всех без исключения элементов конструкции, то есть, характеризуют ее как целостное устройство.

Параметры отдельных элементов конструкции стоит указывать, если они характеризуют устойчивость акустической системы, удобство при ее установке и эксплуатации, механическую прочность, универсальность применения и т.п.

Не в последнюю очередь при выборе акустических систем обращается внимание на их внешний вид и удобство в эксплуатации. В силу субъективности эти показатели не поддаются никакому измерению и выражаются в виде звездочек в многочисленных рейтингах и наклеек типа «Gold Design» на корпусе устройства. Вне сомнений, это также является характеристикой акустической системы.

Классификация звуковых излучателей

По полосе воспроизводимых частот различают:

• широкополосные излучатели;
• низкочастотные излучатели;
• среднечастотные излучатели;
• высокочастотные излучатели.

Первые же попытки сконструировать качественный широкополосный электродинамический излучатель привели к неутешительным выводам, что эта задача вступает в противоречие с физикой электроакустического преобразования. Например, принципы, сформулированные Райсом и Келлогом, позволяют создать излучатель с плоской АЧХ лишь в области средних частот. Поэтому, проще всего, для построения акустических систем использовать несколько узкополосных излучателей, на которые подается сигнал через разделительные фильтры.

При изготовлении современных НЧ, СЧ и ВЧ излучателей используется множество «хитростей», позволяющих добиться приличного качества воспроизведения при невысокой стоимости.

Низкочастотные громкоговорители, как правило, имеют более низкую чувствительность из-за более тяжелой подвижной системы. В связи с этим, для обеспечения необходимого звукового давления в области низких частот, они должны быть рассчитаны на значительную подводимую мощность (200 Вт и более). Сравнительно низкая резонансная частота (16...30 Гц), необходимая для обеспечения эффективного воспроизведения низкочастотных составляющих сигнала, требует высокой линейности упругих характеристик гибких элементов, вплоть до больших смещений подвижной системы (до ±12...15 мм). Для обеспечения «неокрашенности» звучания НЧ-громкоговорители должны иметь, как можно более гладкую амплитудно-частотную характеристику вплоть до верхней границы воспроизводимого ими диапазона частот (как правило, 1500..3000Гц).

Конструированию среднечастотных громкоговорителей, особенно для аппаратуры Hi-Fi и Hi-End, традиционно уделяется особое внимание. Это связано с тем, что в диапазоне частот от 200...800Гц до 5...8кГц, чувствительность слуха ко всем видам искажений максимальна. Субъективные пороги восприятия практически всех видов искажений достигают минимума в области 1 — 3кГц. Кроме того, именно на область средних частот приходится максимум спектральной плотности мощности музыкального сигнала.

Требования к высокочастотным излучателям резко возросли с расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой, а также с повсеместным распространением электронной музыки. Это потребовало от производителей решения ряда новых конструктивных и технологических задач. В настоящее время высокочастотные излучатели используются, как правило, в диапазонах частот от 1,5...3 кГц до 30...40 кГц. Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне с помощью одного излучателя довольно сложно. Поэтому большая часть выпускаемых ВЧ излучателей применяются в диапазонах от 2...5 до 16...18 кГц, а в некоторых акустических системах устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ громкоговорители (supertweeter), воспроизводящие частоты от 8...10 до 30...40 кГц. Необходимость значительного «выхода» за верхнюю границу слышимого диапазона частот следует из психоакустики. Известно, что наличие в сигнале составляющих частотой выше 20 кГц может оказывать существенное влияние на итоговое восприятие звука, хотя в отдельности эти составляющие человек слышать не может.

Производители добились впечатляющих успехов в конструировании узкополосных излучателей, однако их применение в многополосных акустических системах связано с дополнительными трудностями. Использование пространственно-разнесенных узкополосных излучателей совместно с разделительными фильтрами приводит к появлению искажений сигнала. Полосы частот, воспроизводимые различными излучателями, всегда незначительно перекрываются. С учетом того, что сами излучатели имеют различные диаграммы направленности и зачастую находятся не на одной оси, при прослушивании многополосной акустической системы неизбежно появляются зоны совместного излучения (интерференционные искажения), а также фазовые искажения, возникающие при изменении места нахождения слушателя относительно источника звука. Дополнительные фазовые искажения вносит разделительный фильтр. Полностью такие технические проблемы не решает даже применение коаксиальных излучателей.

Построение «идеального» широкополосного излучателя позволило бы решить многие технические трудности звуковоспроизведения. Поэтому работы в этом направлении продолжаются. Широкополосные динамики традиционно выпускаются в двух основных вариантах:

• полностью бумажный диффузор с дополнительным высокочастотным рупором, прикрепленным к основному диффузору;
• коаксиальный динамик, в котором высокочастотный излучатель находится в центре основного низкочастотного диффузора.

Рис.6. Коаксиальный электродинамический излучатель

Большинство широкополосных динамиков, выполненных по классической схеме, имеют ряд существенных недостатков. Во-первых, не существует широкополосных динамиков, которые эффективно воспроизводили бы частоты ниже 100Гц. Во-вторых, тонкий высокочастотный рупор имеет на средних частотах резонанс. В-третьих, излучение НЧ-диффузора в зоне, близкой к катушке, оказывает влияние на ВЧ-рупор, что выражается в появлении неприятных «призвуков» в нижней части среднечастотного диапазона (область мужского вокала). В-четвертых, ВЧ излучатель имеет более узкую диаграмму направленности, чем НЧ-излучатель, что может приводить к пропаданию высокочастотных составляющих при изменении места нахождения слушателя относительно акустической системы (особенно при близком расположении). Устранение таких недостатков требует значительного усложнения конструкции, а значит, увеличения стоимости.

Коаксиальные излучатели помимо перечисленных выше недостатков имеют дополнительные, связанные с применением разделительных фильтров.

По принципу действия различают:

• электродинамические излучатели;
• электростатические излучатели;
• электромагнитные излучатели;
• другие нетрадиционные излучатели.

Электродинамический излучатель

Принцип действия электродинамического диффузорного излучателя основывается на физическом явлении, в соответствие с которым, проводник, помещенный в постоянное магнитное поле, при протекании через него тока, будет испытывать действие силы Лоренца.

Рис.7. Основные элементы конструкции электродинамического излучателя

F=IBL,

Конструкция классического электродинамического излучателя включает следующие основные элементы:

• диффузор (диафрагма);
• звуковая катушка с гибкими выводами;
• гибкий подвес диффузора;
• пылезащитный колпачок;
• центрирующая шайба;
• магнитные цепи;
• диффузородержатель (корзина).

Катушка находится во взвешенном состоянии в зазоре постоянного магнита и через гибкие выводы подключается к усилителю мощности. При протекании переменного тока она совершает поршневые колебания, амплитуда которых пропорциональна амплитуде протекающего переменного тока. Диффузор на гибком подвесе прикреплен к катушке и, поэтому совершает те же поршневые движения, что приводит к колебаниям воздуха. Таким образом, «рождается» звук.

Конструкция и технология изготовления каждого элемента сильно зависит от назначения излучателя.

Диффузор (диафрагма) должен обеспечивать поршневой характер колебаний в требуемом диапазоне воспроизводимых частот, а также малые амплитуды резонансов. Эффективное демпфирование этих резонансов на частотах, где они появились, достигается выбором соответствующей конфигурации диафрагмы и материала, из которого она изготовлена.

Диафрагмы НЧ-динамиков должны быть жесткими и в то же время легкими. С целью повышения конструктивной жесткости, их часто изготавливают в виде криволинейных конусообразных фигур или в виде дуг окружностей, плавно переходящих одна в другую. Иногда, для уменьшения амплитуд резонансных колебаний диафрагмы, на ее поверхности используют радиальные и кольцевые ребра жесткости. В настоящее время диафрагмы низкочастотных динамиков изготавливаются из различных сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками, повышающими ее прочность, жесткость и демпфирующие свойства, например, волокна шерсти, льна, углестекловолокна, графитовые чешуйки, металлические волокна, влагозащитные и демпфирующие пропитки. Некоторые производители при производстве НЧ-диффузоров применяют различные композиционные материалы, как правило, разработанные ранее для аэрокосмической и военной техники. К таким материалам можно отнести многослойные сотовые и вспененные металлы и др. Все чаще используются синтетические пленочные материалы на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) (их используют в своих динамиках фирмы Jamo, КЕF, Cabasse, Таnnоу и др.) и композиционные материалы на основе высокомодульной ткани «кевлар» (фирмы В&W, Audix и т.д.). Применение таких диафрагм позволяет обеспечивать гладкие АЧХ до 1500...2500 Гц, что почти на две октавы выше частот раздела, обычно используемых в трехполосных акустических системах (400...600 Гц). Это дает возможность существенно снизить влияние НЧ-динамиков на звучание акустических систем в области средних частот.

Диффузоры СЧ-динамиков изготавливаются в виде криволинейных конусообразных рупоров или в виде куполов: либо из «мягких» (пропитанные ткани, синтетические пленки, целлюлоза и т. п.), либо из «жестких» материалов (алюминиевая, титановая, бериллиевая фольга, различные их высокомодульные сплавы, например, с бором, и т. п.). «Мягкие» диффузоры отличаются меньшей чувствительностью и обеспечивают естественное по тембру звучание. Однако, при больших уровнях сигнала, в них может возникнуть потеря динамической устойчивости и, соответственно, слышимые искажения. «Жесткие» купольные СЧ диффузоры обеспечивают расширенный диапазон частот (до 12 кГц) при практически поршневом характере колебаний, что обеспечивает малые уровни переходных искажений и чистое звучание.

В ВЧ-динамиках используются купольные диафрагмы диаметром 15 — 40 мм, так как применение конусных диафрагм в этой области частот сопровождается появлением собственных резонансных колебаний, значительно ухудшающих как объективные характеристики, так и звучание. Диафрагмы ВЧ-динамиков изготавливаются из тех же «мягких» или «жестких» материалов, как и СЧ-динамиков — соответственно, горячим прессованием или штамповкой, с электронно-вакуумным напылением. В качестве материалов используются алюминий, титан (иногда даже с напыленным слоем золота), бериллий и др. Номинальная подводимая мощность некоторых ВЧ-излучателей достигает 100 Вт и более, а чувствительность — 100 дБ. Для улучшения теплоотвода в некоторых конструкциях купол и каркас звуковой катушки изготавливаются как единая деталь из одного материала (например, алюминиевой фольги). Наряду с купольными диафрагмами в ряде моделей применяются плоские или U-образные кольцевые диафрагмы. Такие излучатели применяются, например, в концертно-театральной аппаратуре.

В ВЧ-динамиках для выравнивания АЧХ и диаграммы направленности дополнительно используются так называемые «акустические линзы» (эквилизаторы, концентраторы), устанавливаемые перед диафрагмой.

Звуковые катушки рассчитываются исходя из значений требуемого входного электрического сопротивления и подводимой мощности. Существует количественная связь между диаметром катушки и рассеиваемой ею тепловой энергией. Например, звуковые катушки диаметром 25 мм способны без применения особо термостойких и теплоотводящих материалов выдерживать долговременную электрическую мощность до 25 Вт, а катушки диаметром 50 мм — до 100 Вт. Для увеличения термической прочности применяются теплостойкие материалы (клеи, изоляция проводов, каркасы) и различные конструктивные меры для более эффективного отвода выделяющегося тепла в окружающую среду. К таким мерам относятся вентиляционные отверстия в каркасах катушек и магнитных цепях, тепловые трубки, теплопроводящие каркасы, и даже полупроводниковые холодильники.

Часто в НЧ-динамиках для уменьшения нелинейных гармонических искажений, возникающих из-за нелинейности и несимметричности магнитного поля, применяются звуковые катушки, высота которых в 2 раза превышает высоту рабочего зазора магнитной цепи. Обычно звуковые катушки наматываются в два слоя, хотя встречаются конструкции и с четырьмя слоями. При этом для намотки используются кабели как круглого, квадратного и даже плоского сечения. Последние две формы обеспечивают более высокую плотность заполнения рабочего зазора проводом, что повышает КПД громкоговорителя.

Если учесть, что подвижная система СЧ-динамика имеет меньший ход по сравнению с НЧ-динамиком, то для уменьшения нелинейных искажений, возникающих из-за нелинейности и несимметричности магнитного поля, напротив, применяются катушки с меньшей высотой рабочего зазора магнитной цепи. Это позволяет катушке все время находиться в процессе работы в наиболее равномерном и однородном поле внутри магнитного зазора.

Звуковые катушки ВЧ-динамиков часто наматываются более легким, по сравнению с медным, алюминиевым или серебряным плоским проводом. Это позволяет увеличить уровень звукового давления на несколько децибел в области верхней граничной частоты.

Гибкие выводы обеспечивают подведение электрических сигналов к звуковой катушке. Они, помимо воздействий больших электрических токов, непрерывно испытывают значительные переменные механические нагрузки и, поэтому, являются одним из наименее надежных элементов конструкции громкоговорителя. При этом их гибкость должна быть выше гибкости подвеса и центрирующей шайбы, чтобы не влиять на резонанс громкоговорителя. Кроме того, гибкие выводы сами могут являться источником призвуков. Поэтому выбору материалов для них и конструкции крепления к клеммам и диффузору уделяется серьезное внимание. В качестве материалов для выводов применяются многожильные провода из тонких медных или серебряных нитей, в которые вплетаются хлопчатобумажные или синтетические нити. Типы плетений нитей в этих проводах могут быть самыми разнообразными. Также применяют различные способы крепления гибких выводов к диффузору: от пришивания нитками до подпайки к металлическим заклепкам на диффузоре. Места соприкосновения с диффузором заливают различными вибродемпфирующими материалами, например, натуральными латексами. Места пайки гибких выводов к клеммам, во избежание обламывания, как правило, стараются защитить с помощью амортизаторов различных конструкций.

Подвес должен обеспечивать достаточную гибкость, низкую резонансную частоту, плоскопараллельный характер движения всей подвижной системы в обе стороны: от положения равновесия до больших амплитуд смещений, а также эффективное поглощение энергии собственных резонансных колебаний подвижной системы. Кроме того, подвес должен сохранять свою форму и свойства во времени под воздействием климатических факторов внешней среды. В низкочастотных и среднечастотных излучателях чаще всего используются подвесы, имеющие полутораидальный, синусоидальный или S-образный профиль. В качестве материала в них применяются резины, пенополиуретаны, прорезиненные ткани и другие синтетические или натуральные ткани со специальными демпфирующими пропитками и покрытиями. Подвесы высокочастотных громкоговорителей обычно изготавливают из того же материала, что и диафрагма. Они имеют плоский или синусоидальный профиль. Для предотвращения возникновения резонансных колебаний объема под диафрагмой, подвес ВЧ-излучателей, как правило, заполняется демпфирующим материалом.

Колпачок выполняет функцию защиты рабочего зазора магнитной цепи от попадания пыли. Однако, кроме этого он, во-первых, служит кольцевым ребром жесткости, а, во-вторых, сам является излучающим элементом, вносящим вклад в формирование АЧХ в верхней части частотного диапазон громкоговорителя. Для обеспечения конструктивной жесткости, колпачки изготавливаются, как правило, куполообразной формы с различными радиусами кривизны. В качестве материала используют композиты целлюлозы, синтетические пленки, ткани с пропитками. В мощных НЧ-динамиках иногда применяют колпачки из алюминиевой фольги, что позволяет использовать их как дополнительный теплоотводящий элемент для звуковой катушки.

Центрирующие шайбы предназначены для удержания звуковой катушки точно в центре магнитного зазора. Требования к конструкции и материалам центрирующих шайб высококачественных акустических систем чрезвычайно высоки: они должны обеспечивать стабильность резонансной частоты в условиях больших динамических и температурных нагрузок, линейность упругих характеристик при больших смещениях подвижной системы, предотвращать смещения звуковой катушки в радиальном направлении, «провисание» подвижной системы и т.д.

Обычно используются плоские или «мостиковые» центрирующие шайбы с синусоидальным профилем (число гофр в профиле варьируется от 5 до 11). Иногда встречаются шайбы более сложных конфигураций, например, тангенциальные. В качестве материалов для шайб применяют натуральные ткани (типа миткаля, бязи и т.п.), пропитанные бакелитовым лаком. В синтетических тканях основа состоит из полиамидов, полиэстера, нейлона и др. В материал шайб могут вплетаться алюминиевые или медные нити, которые соединяются с каркасом звуковой катушки и диффузородержателем. Такие нити являются дополнительным теплоотводом для звуковой катушки. В некоторых моделях мощных громкоговорителей центрирующие шайбы могут вообще отсутствовать.

Магнитные цепи проектируются исходя из условий достижения максимального КПД громкоговорителя и минимизации нелинейных искажений, связанных с несимметричностью и неоднородностью магнитного поля в рабочем зазоре, а также за его пределами. Магнитные цепи включают в себя магнит, керн, нижний и верхний фланцы.

В магнитных цепях высококачественных динамиков для снижения нелинейных искажений используют сложные конструктивные решения:

• керны Т-образной формы, симметрирующие магнитное поле за пределами рабочего зазора;
• фланцы и керны с многослойными вставками, уменьшающими влияние переменного магнитного поля от звуковой катушки на постоянное магнитное поле цепи;
• "короткозамкнутые витки" – колпачки или кольца на керне и на внутренней поверхности верхнего фланца;
• специальные профили рабочего зазора, уменьшающие неоднородность магнитного поля и т. п.

В последние годы для отвода тепла и повышения демпфирования звуковой катушки широко используется ферромагнитная жидкость, которая представляет собой вязкую суспензию с магнитными частицами. При заполнении зазора жидкостью положение этих частиц симметрируется в направлении силовых линий постоянного магнитного поля, что позволяет удерживать жидкость в зазоре, не давая ей вытекать. Магнитная жидкость имеет теплопроводность почти в пять раз большую, чем воздух, что дает возможность быстрее отводить тепло от катушки, и соответственно, увеличить подводимую мощность. Кроме того, механическое демпфирование катушки за счет использования такой жидкости уменьшает искажения.

В качестве магнитных материалов применяются феррит-бариевые, кобальтосодержащие сплавы, а также «неомакс» – сплав неодим-железо-бор. Современные сплавы позволяют конструировать магнитные цепи, имеющие малые массу и габариты и обеспечивающие требуемую магнитную индукцию в зазоре. Все чаще, в целях уменьшения полей рассеивания, магнитная цепь помещается в металлический экран или дополняется вторым магнитом, имеющим противоположную намагниченность. Это фокусирует поля рассеивания в рабочий зазор магнитной цепи.

Диффузородержатель предназначен для поддержания, соединения элементов подвижной системы и магнитной цепи, а также для закрепления громкоговорителя в корпусе. Его конструкция должна обеспечивать не только устойчивость громкоговорителя к механическим воздействиям, не допуская смещения массивной магнитной цепи от основной оси и нарушения симметричности, но и устранять резонансы самого держателя, которые могут иметь место в области низких частот (200 - 600Гц).

Для предотвращения появления "воздушной подушки" позади диффузора, конструкция диффузородержателя должна обеспечивать достаточный размер "окон" между ребрами. Как правило, диффузородержатели отливают под давлением из алюминиевых сплавов. Для снижения массы их делают сравнительно тонкими.

Электростатический излучатель

Рис.8. Основные элементы конструкции конденсаторного излучателя

В 1870 году Варлей обнаружил, что при изменении потенциала на обкладках, конденсаторы издают звуки. Это явление объясняется притяжением обкладок, под влиянием электростатического поля, с их последующим упругим возвращением в первоначальное состояние. Герц и Дольбер применили это свойство конденсаторов к телефонии, построив первый телефон конденсаторного типа. Тогда эта конструкция распространения не получила, так как для достижения большой громкости требовалось накопление большого по величине заряда. Идея Герца в полной мере была реализована значительно позже.

Среди разновидностей электростатических излучателей раньше выделяли конденсаторные, электретные и пьезоэлектрические. Такое деление является довольно условным, так как движение пластины или пленки, так или иначе, вызвано действием переменного электростатического поля.

Классический конденсаторный излучатель имеет две обкладки, разделенные диэлектриком, одна из которых массивное основание, а другая – легкая и подвижная пленка. При подаче постоянного напряжения осуществляется первоначальное натяжение пленки. При подаче переменного напряжения на обкладки, пленка начинает натягиваться и ослабляться, создавая вместе с тем колебания воздуха. Конденсаторные излучатели обладают очень высокой линейностью всех характеристик, что обеспечивает ровную АЧХ и гораздо меньший, по сравнению с электродинамическими излучателями, коэффициент нелинейных искажений. Однако, такой излучатель должен иметь большую емкость для эффективного воспроизведения низких частот, а емкость напрямую связана с размерами его обкладок. Конструкции низкочастотных электростатических излучателей имеют довольно внушительные размеры и стоимость, а это препятствует их широкому распространению. Поэтому их, как правило, используют для воспроизведения высокочастотных составляющих звукового сигнала (от 5 до 20 кГц и даже выше).

Электретные громкоговорители по конструкции во многом схожи с конденсаторными. Их отличие заключается в том, что им не требуется наличие поляризующего напряжения, так как в них используется электретная пленка (заранее наэлектризованная). К сожалению, со временем она теряет свои свойства и требует замены, либо повторной поляризации.

В пьезоэлектрических излучателях используются пьезокерамические или сегнетовые пластины, край которых соединяется с диффузором. Электромеханическое преобразование происходит так же, как и в конденсаторных излучателях и имеет идентичные параметры. Однако за счет использования диффузора, появляется присущее электродинамическим излучателям значительная неравномерность АЧХ и нелинейные искажения. Кроме того, пьезокерамика имеет низкую чувствительность, а сегнетовая соль чувствительна к климатическим условиям и воздействиям внешней среды.

Рис.9. Конструкция электростатического излучателя

Несмотря на существующую классификацию типов электростатических громкоговорителей, современные модели в нее не входят. Первое устройство, в котором подвижная, несущая статический заряд, мембрана совершала колебания, взаимодействуя с неподвижными акустически прозрачными электродами, было представлено в 1881 году на Парижской электрической выставке. В 20-е и 30-е годы следующего века в Германии стали появляться простейшие конструкции электростатических громкоговорителей и микрофонов, работающих по такому принципу. Из-за отсутствия подходящих материалов для мембраны, работы в этом направлении сильно осложнялись. Эксперименты проводились с золотой фольгой, японским лаком, желатином, композитом из шелка, резины, шерсти и гуттаперчи. Технологический прорыв был совершен в 1949-м году, когда компания DuPont запатентовала майлар (он же PET, лавсан или попросту полиэтилентерефталат). Одной из первых акустических систем, построенной полностью на электростатических излучателях была легендарная ESL-57 компании QUAD. ESL-57 излучала звук майларовой мембраной, состоящей из 5-ти электрически изолированных горизонтальных полос: центральная отвечала за высокие частоты (выше 7 кГц), сверху и снизу симметрично располагались среднечастотные и басовые части.

За последние годы конструкция электростатов была существенно усовершенствована. Особенно разработчиков волновала проблема «дефицита баса», характерная для излучателей данного типа. Прослушивая самые удачные модели электростатических систем, специалисты отмечали непривычность звучания, прозрачность, воздушность, ясность перспективы, просто феноменальную тембровую, динамическую, артикуляционную палитру. Басу при воспроизведении некоторых произведений, естественно, не хватает «атлетизма». Субъективные оценки и высказывания можно подкрепить «строгими» цифрами технических характеристик, которые приведены в таблице для модели ESL-2905 QUAD:

Характеристики	ESL-2905 QUAD
Частотный диапазон	32—21000 Гц при неравномерности АЧХ 6 дБ
Коэффициент гармонических искажений	не более 1 % на частотах 50—100 Гц не более 0,5 % на частотах 100—1000 Гц не более 0,15 % на частотах выше 1000 Гц
Чувствительность	86 дБ
Максимальное звуковое давление	2 Па (2 м по оси)
Габариты	1430 х 695 385 мм
Масса	41,6 кг
Розничная цена	320 000 рублей

Рис.10. Диностатические акустические системы компании QUAD

Первый отечественный электростат, близкий по конструкции к современным излучателям такого типа, был разработан в ИРПА им. А.С. Попова в 1977 году и назывался АСЭ-1. В нем, вместо диэлектрической пленки с графитовым покрытием применялась более легкая и эластичная металлизированная пленка из полиэтилентерефталата. Это позволило улучшить акустические параметры, но потребовало принятия мер для обеспечения постоянства заряда на мембране. В АСЭ-1 используется дифференциальный способ возбуждения мембраны. Металлизированная пленочная мембрана 1 натянута между жесткими перфорированными электродами 2 и 3. Поляризующее напряжение U0 подается на электроды симметрично относительно мембраны, а звуковое U~ – асимметрично. Под действием разности возникающих при этом сил притяжения к электродам мембрана колеблется в соответствии с изменением напряжения. Поскольку масса мембраны соизмерима с массой колеблющегося воздуха, то процесс возбуждения звуковых волн носит почти безынерционный характер. Сила, приводящая в движение мембрану, в отличие от диффузорных электродинамических громкоговорителей, равномерно распределяется по всей площади, что обеспечивает поршневой режим колебаний в широком диапазоне частот. Это обеспечивает беспрецедентно малый уровень нелинейных искажений, присущий электростатическим громкоговорителям.

Для электростатических громкоговорителей нижняя граничная частота определяется из условий акустического короткого замыкания, что напрямую связано с геометрическими размерами излучателя. Верхняя граничная частота воспроизводимого диапазона может превышать 20 кГц, так как из-за малой массы мембраны механическое сопротивление подвижной системы сопоставимо с волновым сопротивлением воздуха только в ультразвуковом диапазоне.

Входное сопротивление электростатических излучателей имеет емкостный характер и падает с повышением частоты. Для согласования с усилителем мощности используется трансформаторный преобразователь импеданса, обеспечивающий постоянную нагрузку на усилитель при воспроизведении реальной музыкальной программы.

Несмотря на превосходные характеристики, использование электростатических систем ограничивается их высокой стоимостью, большими размерами и массой.

Электромагнитный излучатель

Рис.11. Конструкция электромагнитного излучателя с переменным магнитным зазором

Принцип действия электромагнитного излучателя (иногда называемого преобразователем с подвижным железом) заключается в том, что подвижная система (например, ферромагнитная пластина) колеблется под действием переменного поля магнитной системы, включающей постоянный магнит с надетыми на магнитопровод катушками, в которых протекает ток звуковой частоты. Такие излучатели использовались, например, в головных телефонах. Недостатком такой конструкции является значительное рассеивание магнитного потока и малое значение магнитной индукции. Это связано с замыканием потока через тело постоянного магнита с невысокой проницаемостью. Для увеличения эффективности электроакустического преобразования применяют дифференциальные схемы, т.е. системы с разделением потоков.

Переменный магнитный поток в такой схеме замыкается через ярмо, набранное из пластин мягкого железа. Несмотря на магнитную сбалансированность таких излучателей, при смещении пластины к одному из полюсов, возникает магнитная смещающая сила, еще более усугубляющая смещение. Таким образом, равновесие является неустойчивым. По этой причине, в электромагнитных системах, пластины и якоря с переменным зазором имеют большую упругость – то есть, механическая возвращающая сила преобладает над магнитной силой. Это значительно увеличивает механическую резонансную частоту, что приводит к увеличению нижней границы воспроизводимого диапазона. Кроме того, такое решение приводит к уменьшению чувствительности.

Рис.12. Принцип действия электромагнитного излучателя с постоянным магнитным зазором

Для увеличения диапазона воспроизводимых частот необходимо, чтобы магнитные силы, зависящие от положения пластины или якоря, имели бы характер возвращающих, а не смещающих сил. Вполне очевидно, что именно такой характер имеет магнитная система электродинамического излучателя. Отчасти поэтому выбор был сделан в пользу последнего. Тем не менее, решение было найдено и для электромагнитных излучателей. Возвращающие силы возникают в системах с постоянным зазором, в которых якорь движется не между полюсными наконечниками, а вне воздушного зазора между ними. Такая конструкция давала ту же чувствительность что и с переменным зазором, но обеспечивала более широкую амплитудно-частотную характеристику. Необходимо отметить, что системы с постоянным зазором не получили распространения, так как требовали очень тонкой и точной настройки при производстве.

Электромагнитный излучатель был применен в первом отечественном громкоговорителе «Рекорд». Несмотря на невысокую мощность, они применялись в трансляционных сетях, поскольку имели большее входное сопротивление и меньшую, по сравнению с динамиками, стоимость. Входное сопротивление электромагнитных громкоговорителей носит индуктивный характер и растет с увеличением частоты. Громкоговоритель «Рекорд», например, включался в трансляционную систему без дополнительных согласующих трансформаторов, которые устанавливают на современные трансляционные громкоговорители электродинамического типа.

Электромагнитные громкоговорители в настоящее время имеют очень ограниченную область применения, так как по своим качественным показателям значительно уступают электродинамическим. Преобразователи с подвижным железом используются чаще других излучателей в устройствах, которые формируют специальные сигналы, такие как гудок или звонок. Например, во всем известных школьных звонках используется электромагнитный привод бойка.

Другие нетрадиционные излучатели

К ним относятся различные разновидности электродинамических излучателей – ленточные, изодинамические, ортодинамические, излучатели Хейла, а также излучатели, работающие по иному принципу – ионофоны, пневматические, излучатели на NXT панелях, излучатели на нанотрубках и т.д.

Ленточные излучатели

Рис.13. Конструкция ленточного излучателя

Рис.14. Ленточный твиттер в акустической системе компании ELAC

Конструкция ленточного излучателя была запатентована в 1925 году инженером Герлахом, работавшим в компании «European Acoustic Lab». Однако их производство было невозможным до начала 30-х годов, пока не появились постоянные магниты. Принцип действия этого излучателя заключается в колебании под действием силы Лоренца ленточки (например, из алюминиевой фольги), помещенной между полюсами постоянного магнита при протекании через нее переменного тока. Благодаря своей легкости, ленточка получает достаточно большое смещение при малой величине протекающего тока, что обуславливает высокую чувствительность, характерную для таких излучателей (до 95 дБ). Входное электрическое сопротивление ленточного излучателя намного меньше сопротивления катушечного излучателя, поскольку ширина ленты значительно больше, чем диаметр проводника звуковой катушки. Типовое значение составляет 0,047 Ом. Поэтому излучатели данного типа применяют совместно с трансформаторами, согласующими их с усилителями мощности. Ленточка обычно гофрируется для увеличения гибкости и устранения нежелательных резонансных колебаний. Для уменьшения резонансов воздушной полости позади ленточки, ее заполняют стекловатой или другими поглощающими материалами. Отсутствие резонансов обеспечивает равномерную АЧХ, вплоть до ультразвуковых частот.

Ленточные излучатели обеспечивают большие подводимые мощности за счет того, что большая площадь ленточки обеспечивает быстрое охлаждение. При большой длине и, напротив, небольшой ширине излучателя, обеспечивается широкая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости (до 70 градусов на частоте 20 кГц). В вертикальной плоскости излучатель имеет узкую характеристику направленности, что бывает полезно, так как это помогает избежать нежелательных отражений от потолка и пола. Основным преимуществом ленточных излучателей является малый уровень нелинейных искажений, прозрачное и чистое звучание на высоких частотах. Особенно им удается воспроизведение импульсных сигналов.

Первыми отечественными ленточными громкоговорителями были 5ГЛ-1, 5ГЛ-6, 5ГЛ-12. Промышленного применения они не получили из-за высокой стоимости магнитов. Сложность производства магнитов была связана с проблемой неоднородности и несимметричности магнитного поля в зазоре. В настоящее время производством громкоговорителей с ленточными излучателями занимается множество фирм: Stage Accompany, Piega, Expolinear, Elac и др.

Изодинамические излучатели

Рис.15. Конструкция изодинамического излучателя

Принцип действия изодинамиков заключается в колебании майларовой мембраны с нанесенными на нее проводящими дорожками под действием все той же силы Лоренца. Магнитная система для таких излучателей имеет сложную форму и представляет 2 перфорированные пластины, на которых установлены стержневые магниты. Поскольку полюса такой решетки чередуются, то между соседними стержневыми магнитами создается магнитный зазор. Между данными пластинами помещается очень тонкая (8-10 мкм) майларовая мембрана с нанесенными в форме меандра проводящими дорожками. Переменный ток, протекающий по этим дорожкам, создает электромагнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем в зазоре и вызывает колебание мембраны.

За счет перфорации магнитная решетка является акустически прозрачной и звуковая волна практически беспрепятственно распространяется в окружающее пространство.

Преимущества изодинамических излучателей характерны для всех типов излучателей, где применяется майлар или другие тонкие и практически невесомые пленки. В частности, это очень малые нелинейные искажения. Звучание изодинамиков отличается удивительной точностью воспроизведения. Изодинамики воспроизводят очень прозрачный, естественный и реалистичный звук. В настоящее время изодинамические излучатели выпускают для воспроизведения ВЧ и иногда СЧ-диапазона, а также для применения в наушниках. Однако есть и исключения из правил – акустические системы компании Magnepan полностью построены на изодинамиках.

В СССР выпускались изодинамические ВЧ-излучатели 10ГИ-1, которые использовались в составе знаменитых акустических систем 25АС-027. Также мировую известность и заслуженную популярность получили отечественные наушники с изодинамиками ТДС-15 «Амфитон».

Характеристики	Изодинамический излучатель 10ГИ-1
Диапазон частот	2500—25000 Гц
Чувствительность	87 дБ
Номинальная мощность	10 Вт
Входное сопротивление	4 Ом
Коэффициент гармонических искажений	1%
Габаритные размеры	107 х 119 х 32 мм
Масса	0,74 г

Ортодинамические излучатели

Ортодинамики как и изодинамики придумали японцы и их принцип действия один и тот же. Отличие заключается в конструкции магнитной системы и мембраны. Магнитная система состоит из двух перфорированных дисковых магнитов, которые намагничены таким образом, что образуют на поверхности концентрические кольца с чередующимися полюсами. В магнитный воздушный зазор помещается круглая майларовая мембрана с нанесенной на нее. в виде спирали, проводящей дорожкой. Один ее контакт находится по центру, а другой – на краю излучателя. При протекании переменного тока создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с полем в магнитном зазоре и вызывает колебания мембраны. Иногда для увеличения чувствительности мембрана гофрируется.

Все достоинства, присущие изодинамическим излучателям, можно отнести и к ортодинамикам. Сфера применения ортодинамических излучателей в основном ограничивается высококачественными наушниками. В настоящее время такие наушники – большая редкость. Наибольшее количество моделей выпускала Yamaha. Среди них были наушники YH-1, на основе которых были созданы отечественные ТДС-5

Ортодинамики отличаются от изодинамиков более широким диапазоном воспроизводимых частот. Ортодинамические наушники звучат впечатляюще. Они передают мельчайшие нюансы записи, шорохи, шуршание одежды музыкантов, их дыхание, хорошо чувствуется акустика помещения. Однако все это крайне отрицательно сказывается на восприятии звука при воспроизведении некачественных аудиозаписей. Как правило, ортодинамические излучатели обладают высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном.

Излучатель Хейла

Рис.23. ВЧ-излучатель Хейла

Патент на акустический трансформатор был получен 18 января 1972 года Оскаром Хейлом. По принципу действия излучатель Хейла очень похож на изодинамический, так как имеет такую же магнитную решетку. Отличие заключается в том, что вместо плоской или гофрированной мембраны используется мембрана, собранная в гармошку, на которую в форме меандра нанесены проводящие дорожки. Эти дорожки, по сравнению с изодинамиком, находятся в другой плоскости. Поэтому, сила Лоренца, действующая на них, перемещает складки мембраны не от магнита к магниту, а вдоль них. Поскольку направление тока для соседних складок противоположное, то при протекании тока, они с одной стороны притягиваются, а с другой – отталкиваются. При изменении знака приложенного напряжения начинается обратный процесс. Таким образом, полости между складками то засасывают, то выталкивают воздух, образуя звуковую волну.

Такая конструкция излучателя позволяет значительно увеличить площадь мембраны и, как следствие, повысить эффективность. Поэтому, чувствительность излучателя Хейла значительно выше чувствительности изодинамика. В остальном достоинства и недостатки совпадают. В настоящее время излучатели Хейла производят несколько фирм, например, Elac и ADAM. Среди отечественных акустических систем, использующих в качестве ВЧ-звена излучатели такого типа, некоторое время назад выпускались 150АСАТ-001 и 100АС-001 «Пассат».

Ионофон

Рис.27. Конструкция ионофона

Ионофон формирует звуковую волну по тому же физическому принципу, по какому во время грозы возникает гром. Излучателем является воздушный зазор между электродами, в котором происходит ионизация при приложении высокого переменного напряжения (порядка 10 кВ, 20-30 МГц). Амплитуда переменного напряжения изменяется в соответствии со звуковым сигналом, что приводит к соответствующему изменению объема ионизированного воздуха. Так возникает звуковая волна.

Идея, использовать движение ионизированных частиц в электрическом поле для создания звуковых волн, возникла еще в конце XIX века. В 1900 году Дуделл продемонстрировал научному сообществу поющую дугу. В 1946 году французский изобретатель Зигфрид Клейн предложил электрическую дугу ограничить и поместить ее внутрь небольшой кварцевой трубки, соединенной с рупором. Именно Клейн предложил назвать это устройство ионофоном. В его излучателе коронный разряд создавался между анодом, помещенным в кварцевую трубку, и металлическим цилиндрическим катодом вокруг ее внешней стороны. При подаче на электроды высокого напряжения частотой 100 кГц, промодулированного аудиосигналом, вокруг свободного конца анода образовывалось облачко ионизированных молекул воздуха. Температура при этом достигала 1700 0С. Сжатие и расширение объема ионизированного воздуха приводило к возникновению звуковой волны. Рупор в первой конструкции ионофона использовался для повышения эффективности излучения (объем облака был достаточно мал и интенсивность звуковой волны получалась низкой). Клейн предложил использовать анод, изготовленный из комбинации платины, фосфата алюминия, иридия и графита, однако, это было не лучшим решением, так как платина под воздействием температуры быстро распылялась на стенки кварцевой трубки, что приводило к появлению в воспроизводимом звуке шорохов и треска. Анод должен был не только эффективно ионизировать воздух, но и быть устойчивым к коронному разряду и высокой температуре, вызывающей окисление. В более поздних моделях ионофонов эта проблема была решена применением специального сплава из железа, хрома и алюминия, который стал называться «кантал». Для устранения свиста, сопровождающего коронный разряд, частота генератора была увеличена до 2-3 МГц. Позже по этой же причине частота была увеличена еще в десять раз.

Используя патент Клейна, ионофоны выпускались такими компаниями, как DuKane, Plessely Ltd, Telefunken, Audax, Fane Acoustics Ltd.

Теоретически, ионофон является идеальным излучателем, поскольку в нем, в принципе, отсутствует подвижная система, а, значит, нет проблем с переходными искажениями и резонансами. Амплитудно-частотная характеристика должна быть идеально равномерной, а частотный диапазон должен достигать очень высоких частот. Эксплуатация ионофонов показала, что они действительно создают чистое, прозрачное звучание с очень низким уровнем искажений. Однако, они не получили промышленного распространения из-за существенных недостатков. Во-первых, высокое напряжение – это всегда опасно, во-вторых, ионизация быстро распространяется далеко за пределы излучателя, что приводит к раздражению глаз, легких и появлению сильного запаха озона.

В 50-х годах XX века в ИРПА им. Попова попал образец ионофона. После испытаний было решено, что из-за существенных недостатков его промышленное применение будет затруднительно. После этого в нашей стране появлялись только радиолюбительские конструкции ионофонов. В частности, в 1958 году Плоткин, Каратаев и Прютц на XVI Всесоюзной выставке показали первую отечественную модель ионофона и удостоились за нее Почетной премии.

Необходимо отметить, что ионофон использовался только для воспроизведения ВЧ-диапазона, так как для воспроизведения средних и низких частот нужно увеличивать зазор между электродами, а, значит, и напряжение, которое и так высокое. Конструкция ионофона была усовершенствована, и сейчас его чаще называют плазменным излучателем или плазмафоном.

В настоящее время ионофонические твиттеры используют немецкие компании, которые занимаются эксклюзивными акустическими системами Hi-End: Acapella (модель ION TW 1S), Lansche Audio (твиттер Corona).

В прошлом знаменитая компания Magnat выпускала акустические системы MP-X-066, в составе которых в качестве ВЧ-излучателей использовался ионофон с круговой диаграммой направленности. Стоимость таких акустических систем впечатляет, пожалуй, даже больше чем звук, воспроизводимый ими.

Пневматические излучатели

Рис.31. Пневматический гудок РН-1

В пневматическом излучателе звук создается изменением (модуляцией) потока сжатого воздуха. В 1930-1940-х годах такой тип излучателей использовался для передачи сообщений и специальных сигналов на огромных объектах с повышенным уровнем шума. Конструкция пневматического излучателя включает в себя компрессор, баллон со сжатым газом, модулятор и рупор. Акустическая мощность, развиваемая ими, может достигать 2000 Вт, диапазон частот составляет 2,5-3,5 кГц, а уровень собственных шумов и нелинейных искажений просто огромен. Примером простейшего пневматического излучателя может служить, например, судейский свисток. Вообще, пневматический привод появился достаточно давно и использовался Эдисоном для усиления звуков, воспроизводимых его «говорящей машиной».

Громкоговорители с пневматическими излучателями применяются в настоящее время очень ограниченно, в основном, для воспроизведения специальных сигналов. Примером может послужить пневматический гудок РН-1 отечественного производства.

Излучатели на NXT панелях

Рис.32. Колебание NXT панели

Британская компания New Transducer Technology, занимаясь разработкой панелей для систем звукоизоляции военной техники, параллельно запатентовала звуковой излучатель нового типа. NXT излучатель представляет собой плоскую панель, соединенную с одним или несколькими драйверами, (электродинамическими, пьезокерамическими, пневматическими или другими), которые под воздействием переменного тока приводят ее в движение. Выбор материала для панели и точки ее соединения, например с катушкой, обеспечивает особый характер ее колебаний. В отличие от излучателей другого типа, в которых подвижная система совершает поршневые движения, в NXT-панелях даже близко расположенные точки имеют случайный характер колебаний. В итоге, на всей ее поверхности происходят сложные вибрационные процессы.

Такой способ возбуждения звуковой волны практически исключает возможность появления акустического короткого замыкания. Это означает, что акустические системы, выполненные на NXT-панелях, не требуют объема, а могут быть абсолютно плоскими и узкими. Дополнительное преимущество заключается в широкой диаграмме направленности, которая обеспечивается за счет формирования на поверхности панели множества точечных излучателей. Это теоретически может обеспечивать более ровное звуковое поле в любой точке помещения. Производители заявляют, что при удалении слушателя от NXT-панели на 3 м звуковое давление уменьшится лишь на 4 дБ. При использовании любого другого излучателя, звуковое давление уменьшится почти на 10 дБ, что связано с особенностями распространения когерентной звуковой волны в воздушном пространстве.

Среди недостатков, кроме узкой полосы воспроизводимых частот, наиболее заметным является полное размывание фазовой картинки. При прослушивании совершенно невозможно локализовать источник звука, почувствовать взаимное расположение инструментов и т.п.

Для качественного воспроизведения низких частот с помощью NXT-панелей требуется значительно увеличивать габариты громкоговорителя. Например, для воспроизведения частоты 60 Гц, площадь панели должна составлять 1,5 кв.м. Производители уверяют, что она может достигать 100 кв.м.

Дополнительное ее достоинство состоит в том, что с помощью одной панели можно создавать стереообразы, используя 2 драйвера. Правда стереобаза при этом получается узкой и несколько размытой.

В настоящее время эти технологии активно продвигаются среди бытового оборудования: панели встраивают в ноутбуки, жидкокристаллические дисплеи компьютеров и телефонов. Также выпускаются акустические системы, в которых используется классический сабвуфер и NXT-панели для воспроизведения СЧ и ВЧ- диапазонов. Впрочем, пока классические акустические системы стоят существенно дешевле при наличии тех же технических характеристик.

Излучатели на нанотрубках

В начале XX века учеными Уильямом Генри Присом и Карлом Фердинандом Брауном было обнаружено, что при быстром изменении температуры металлической фольги можно получить звуковые колебания. Принцип действия излучателя такого типа заключается в изменении температуры воздуха, окружающего фольгу, что приводит к изменению его объема и возникновению звуковых волн. Попытки реализовать «термофон» в целом удались, но он имел очень низкий КПД и чувствительность, поэтому звук получался очень тихим.

Нанотехнологии, активно развиваемые в настоящее время, привели к появлению нанотрубок. Нанотрубки — углеродное образование, обладающее фантастическими свойствами. Стоит заметить, что применение нанотрубок в акустике — это лишь побочный эффект. Во-первых, они являются проводниками, не уступающими по проводимости металлам (хотя при определенной структуре они могут быть и полупроводниками!). А во-вторых, для увеличения температуры единицы площади листа на один градус необходима энергия в 260 раз меньшая, чем для нагрева металлической фольги. Китайские ученые уже активно разрабатывают термоакустические излучатели на нанотрубках. Образцы такой акустики существуют, в них температура листа колеблется от комнатной температуры до 80°С.

Потенциально достоинствами таких систем будет отсутствие переходных и нелинейных искажений (так как подвижная система отсутствует в принципе и колеблется сам воздух), беспрецедентно малые размеры (диаметр нанотрубок составляет единицы нанометров), высока надежность (лист из нанотрубок будет звучать даже при разрушении некоторого их количества). Кроме того, нанотрубки можно изгибать, сворачивать. Их свойства при этом не меняются.

Таблица 1. Достоинства и недостатки различных типов звуковых излучателей

Типы излучателей	Достоинства	Недостатки
Диффузорные	Относительно высокая чувствительность; Высокая подводимая мощность.	Высокий уровень переходных и нелинейных искажений;Неравномерность АЧХ +/- 12 дБ; Множество собственных резонансов; Невозможность воспроизведения широкого диапазона частот; Относительно узкая направленность с частотной зависимостью.
Ленточные	Простота конструкции; Малые переходные и нелинейные искажения; Ровная АЧХ; Относительно высокая чувствительность.	Необходимость использования согласующего трансформатора;Невозможность качественного воспроизведения НЧ-диапазона.
Изодинамические и Ортодинамические	Малые переходные и нелинейные искажения (КНИ 1%); Относительная простота конструкции; Можно сделать большого размера для воспроизведения низких частот.	Относительная дороговизна, особенно при больших размерах;Незначительные фазовые искажения при многократном отражении звуковой волны между магнитом и мембраной.
Излучатели Хейла	Относительно высокая чувствительность; Малые переходные и нелинейные искажения (КНИ 1%); Относительная простота конструкции.	Относительно высокая стоимость; Незначительные фазовые искажения при многократном отражении звуковой волны между магнитом и мембраной.
Электростатические	Простота конструкции; Неравномерность АЧХ +/- 2 дБ; КНИ менее 0,5% (как у усилителей!); Практически отсутствуют фазовые искажения.	Низкая чувствительность (82 дБ); Необходимость дополнительного источника питания для блока поляризации; Необходимость применения согласующего трансформатора; Относительно узкая направленность; Притяжение пыли.
Электромагнитные	Относительно высокая чувствительность.	Сложность настройки; Узкий диапазон воспроизводимых частот.
Ионофоны	Полное отсутствие искажений; Простота конструкции; Круговая диаграмма направленности; Воспроизводит частоты до 50 кГц; Неравномерность АЧХ +/- 4 дБ	Сложно воспроизводить частоты ниже 100 Гц; Токсичность; Опасное высокое напряжение; Быстрое выгорание электродов
Пневматические	Огромное звуковое давление; Высокий КПД	Большие нелинейные искажения; Узкий диапазон воспроизводимых частот; Необходимость смены баллонов с газом
На NXT-панелях	Простота конструкции; Высокая подводимая мощность; Ровная АЧХ; Малые габариты; Широкая диаграмма направленности	Относительно низкая чувствительность; Сложность воспроизведения НЧ; Большие нелинейные и фазовые искажения; Размытие фазовой картинки
На нанотрубках	Теоретическое отсутствие искажений; Простота конструкции; Круговая диаграмма направленности; Ровная АЧХ; Оптическая прозрачность; Малые размеры и произвольная форма	Низкая чувствительность.

По способу излучения различают:

• излучатели прямого действия;
• рупорные излучатели;
• ненаправленные излучатели.

Большинство современных моделей представляют собой излучатели прямого действия. Это связано с тем, что возбудитель звуковых колебаний совершает поршневые движения по одной оси. Ширина их диаграммы направленности зависит от воспроизводимой частоты и геометрических размеров диффузора, ленты, мембраны и т.п. В итоге, восприятие звука зависит от положения слушателя относительно акустической системы. При использовании нескольких акустических систем в сложных профессиональных звуковых системах возникает проблема отраженных волн, интерференции с ними основной волны. Данная проблема решается тщательным акустическим расчетом озвучиваемого помещения, применением звукопоглощающих материалов и т.п.

Рупорные излучатели имеют еще более узкую направленность, чем излучатели прямого действия. Существует мнение, что рупорный громкоговоритель отличается только узкой направленностью и увеличенной за счет этого чувствительностью. На деле это далеко не все преимущества, которые дает рупорная конструкция. Рупор служит не только усилителем, но и устройством согласования излучателя с окружающей средой. Как известно из теории электроакустики, для воспроизведения звука в неограниченно простирающейся среде, излучатель должен иметь размеры, сопоставимые с длиной формируемой волны. Длина волны для колебания частотой 100 Гц составляет 3,5 м. Таким образом, для эффективного воспроизведения низких частот в теории требуется применение огромных излучателей. Увеличение размеров приводит к увеличению массы и уменьшению жесткости, что приводит к увеличению инертности подвижной системы. Инертность, напротив, мешает эффективно воспроизводить низкие частоты… Получается замкнутый круг.

Рис.33. Рупорная акустическая система

Именно рупор — труба с изменяющимся по определенному закону сечением решает проблему эффективного звукоизлучения в широкой полосе частот. Дело в том, что правильный выбор сечения рупора позволяет изменить закон убывания амплитуды волны с увеличением расстояния. Таким образом, обеспечивается более благоприятный ход убывания амплитуды по сравнению с законами распространения сферической волны.

Наибольшее распространение получили экспоненциальные рупоры. Следует отметить, что, например, конические рупоры никак не влияют на особенность распространения сферической волны и обеспечивают увеличение эффективности излучения только за счет концентрации его в одном направлении.

Хорошо спроектированный рупор должен иметь довольно большие размеры оконечного отверстия, а значит и длину. Это обеспечивает эффективность воспроизведения низких частот, так как при этом обеспечивается переход звуковой энергии в окружающее пространство без отражения от оконечного отверстия. Все это дает возможность использовать излучатель очень малого размера, а, значит, малой массы.

Рупорные акустические системы класса Hi-Fi и Hi-End выпускают немногие компании, например, легендарная Klipsh, которая является основоположником идеологии рупорных громкоговорителей, а так же Avantgarde Acoustic, Zingali, JBL. Цены на них колеблются от 50000 до 600000 рублей. Между тем, свойства рупорных громкоговорителей широко используются в трансляционных звуковых системах. Например, южно-корейская компания Inter-M производит целый ряд узкополосных рупорных акустических систем серии HS с экспоненциальным законом увеличения сечения рупора и прямоугольным или круглым оконечным отверстием. Они предназначены для трансляции речевых сигналов и озвучивания, значительных по площади, территорий вокзалов, перронов, портов и т.п. Например, чувствительность громкоговорителя HS-50 составляет 109 дБ, а номинальное значение звукового давления составляет почти 126 дБ.

Ненаправленные излучатели встречаются довольно редко. Примером могут служить ионофонический твиттер в акустических системах MP-X-066 от компании Magnat, ленточный твиттер с характерным названием 4pi от компании Elac.

Рис.34. Ленточный ненаправленный твиттер 4pi Elac

Как следует из названия, ненаправленные излучатели формируют звуковую волну, которая распространяется радиально во всех направлениях (иногда только в горизонтальной плоскости). В некоторой мере ощущение ненаправленности могут создавать также акустические системы на NXT-панелях, если их использовать в замкнутом пространстве.

Излучатели можно классифицировать также по области применения: всепогодные, внутреннего применения, концертные, студийные; автомобильные; бытовые и т.п. Область применения накладывает определенные требования к техническим характеристикам, качеству изготовления, эргономике, конструкции, надежности, устойчивости к воздействиям окружающей среды и т.п.

Поскольку конструкция каждого элемента громкоговорителя в основном определяется типом используемых излучателей, то классификация, применимая к ним, в полной мере относится и к акустическим системам.

Особенности конструкции акустических систем

Акустическая система (громкоговоритель), как правило, включает в себя один или несколько звуковых излучателей (нередко различного типа), разделительные фильтры (пассивный кроссовер), магнитные экраны, акустическое оформление (корпус). При использовании нетрадиционных излучателей в них встраивают блоки поляризации, согласующие трансформаторы, генераторы и др. Иногда акустическая система совмещается с усилителем и блоком обработки сигнала.

Существует большое количество серьезных производителей акустических систем, равно как и такое же количество конструктивных хитростей, позволяющих улучшить звучание, уменьшить габаритные размеры, применить необычные формы и их комбинации. Все акустические системы различны. Отличия заключаются в качестве изготовления, в стоимости, в технических и эксплуатационных характеристиках, в звучании и т.д. В связи с этим, конструктивные особенности лучше рассматривать на примере конкретных производителей. Южно-корейская компания Inter-M с момента своего основания в 1983 году занимается производством высококлассного звукового оборудования, причем не только профессионального, но и трансляционного. Поскольку компания занимается производством профессионального оборудования, то широкой массе потребителей ее имя практически не известно. Тем не менее, Inter-M занимает высокое место среди прочих производителей аналогичной техники. Достаточно отметить, что именно звукотехническое оборудование Inter-M в 1988 году использовалось для обслуживания Олимпийских игр в Сеуле. Акустические системы Inter-M крайне технологичны, в них не используются редкие материалы, присущие оборудованию Hi-End, а в качестве излучателей применяются электродинамики с легчайшими бумажными диффузорами и ВЧ-твиттеры, как правило, с титановыми куполами. Высокое качество звучания достигается только за счет грамотных решений инженеров конструкторов, а не за счет использования дорогостоящих магнитов, излучателей, корпусов, например, из палисандра и т.п. Это очень положительно сказывается на надежности и стоимости выпускаемой продукции и, как следствие, на ее востребованности у покупателей. В свете вышеизложенного, мы будем рассматривать различные элементы конструкции акустических систем, в основном, на примере профессионального звукового оборудования Inter-M.

Для исключения взаимодействия противофазных звуковых излучений лицевой и тыльной стороны излучателей (эффект акустического короткого замыкания), их помещают в корпус. Различают три основных типа акустического оформления: закрытый корпус, корпус с фазоинвертором и лабиринт.

Закрытый корпус попросту блокирует обратное излучение. Чтобы максимально эффективно воспроизводить низкие частоты, а также для того, чтобы упругий воздух позади излучателя не вносил искажения, воздействуя на подвижную систему, объем корпуса должен быть как можно больше. Однако для каждого излучателя существует предел, после которого увеличивать размер оформления не имеет смысла. Крутизна спада амплитудно-частотной характеристики в области НЧ для оформления закрытого типа составляет 12 дБ на октаву. Низкочастотные АС редко имеют оформление закрытого типа, так как это накладывает определенные требования к материалам, используемым для изготовления излучателя, к его чувствительности и номинальной мощности. Как известно, для эффективного воспроизведения низких частот необходимо увеличивать геометрический размер подвижной системы, что неизбежно приводит к увеличению ее массы, а, следовательно, и инертности, что в свою очередь препятствует эффективному воспроизведению низких частот. Например, Inter-M выпускает в закрытом оформлении элементы линейного массива: LA-100 и SW-100.

Рис.35. НЧ элемент линейного массива SW-100 Inter-M

Рис.36. Элементы линейного массива LA-100 Inter-M

Фазоинвертор – это труба, установленная в корпус. По сути, это резонатор Гельмгольца (сосуд с горлом), свойства которого нашли в акустике очень широкое применение. В настоящее время фазоинвертор устанавливается в большую часть акустических систем, предназначенных для воспроизведения низких частот. На определенных частотах резонатор начинает эффективно излучать звуковые колебания, причем это излучение совпадает по фазе с излучением НЧ динамика. Естественно, это позволяет при том же объеме корпуса существенно увеличить звуковое давление и расширить частотный диапазон в области низких частот. С другой стороны, с помощью фазоинвертора, при сохранении звукового давления, можно существенно уменьшить корпус акустической системы. Недостатком применения такого рода резонаторов является увеличение крутизны спада амплитудно-частотной характеристики до 24 дБ на октаву, а также характерный шум, возникающий при движении воздуха в трубе. Одной из разновидностей фазоинвертора является пассивный радиатор, в котором функцию «горла» выполняет дополнительная упругая мембрана (чаще всего используется вторая подвижная система с диффузором, но без катушки). Пассивный радиатор не издает шумов присущих фазоинверторам, но его конструкция и расчеты еще более сложны. В акустических системах серии SC Inter-M, в качестве фазоинвертора, используется труба постоянного сечения. Для уменьшения шума, создаваемого фазоинвертором, используется несколько таких труб.

Рис.37. Акустическая система SC-215 Inter-M с фазоинвертором

Рис.38. Акустические системы WS-40 Inter-M с лабиринтом

В акустических системах с лабиринтом используются свойства четвертьволнового резонатора, им могут быть, например, органные трубы. Чтобы построить такой резонатор на частотах, близких к резонансной частоте басового динамика и сохранить при этом приемлемые габариты, в акустических системах волновод приходится складывать в «гармошку». Отсюда следует и его название — лабиринт. Например, длина четвертьволнового резонатора, настроенного на частоту 30 Гц, составляет почти 3 м. Как и в фазоинверторных системах, лабиринты имеют выход, как правило, в нижней части громкоговорителя. Примером АС с лабиринтом является WS-40, которая имеет толщину всего 35 мм!

Независимо от того, какое применяется акустическое оформление, корпус стараются хорошо заглушить, чтобы волновые резонансы в объеме кабинета и резонансы его стенок не окрашивали звук призвуками. Для минимизации влияния резонансов объема воздуха, Inter-M использует различные звукопоглощающие материалы, а также специальную форму корпуса с непараллельными стенками. Чтобы предотвратить вибрации и изгибные движения стенок, их жесткость повышается. Это, в свою очередь, повышает резонансную частоту панелей. Для увеличения поглощающих свойств панелей, внутри корпуса устанавливаются различные перегородки и распорки, увеличивается толщина стенок, используются многослойные конструкции, применяются сильно поглощающие материалы и т.д. Панели MDF, используемые Inter-M, являются очень технологичными при производстве и по-прежнему остаются одним из наиболее оптимальных решений, даже для АС высокого класса.

Характеристика направленности

Наиболее сложной задачей при проектировании звуковой системы и выборе акустических систем является воссоздание пространственной звуковой картины, то есть безошибочной локализации слушателем источников звука. Громкоговорители с узкой диаграммой направленности позволяют точнее передавать пространственные образы музыкального сигнала, но требуют точного расположения слушателя. При изменении этого положения, зачастую резко и до неузнаваемости, меняется тембровая окраска. Повышение направленности достигается за счет конструкции динамиков, использования рупорных обрамлений драйверов, структуры лицевой панели, формирования решеток из групп одинаковых излучателей. Можно заметить, что на низких частотах человек не способен локализовать источник звука. Именно поэтому даже в многоканальных системах используется только один сабвуфер. Применение направленных АС особенно важно в акустически сложных больших помещениях, когда слушатель, находящийся на любом месте зала, не должен страдать от интерференционных звуковых явлений, возникающих при отражении волн. Чаще всего, за счет взаимного расположения излучателей, достигается острая направленность в вертикальной плоскости (для снижения роли отражений от пола и потолка) и относительно широкая направленность в горизонтальной плоскости. Однако, далеко не всегда удается обеспечить одинаково широкую диаграмму направленности на всех частотах. Поэтому при озвучивании крупных залов редко применяют широкополосные акустические системы, а используют множество узконаправленных узкополосных громкоговорителей, тщательно подбирая их количество, взаимное расположение, направление излучения и подводимую мощность.

Необходимо отметить, что вопреки существующему мнению, использование нескольких одинаковых излучателей, располагаемых рядом друг с другом на лицевой панели, к проблеме направленности отношения не имеет. За счет такого расположения можно только уменьшить нелинейные искажения в мощных акустических системах. Примером реализации такой конструктивной хитрости является акустическая система SC-2152 Inter-M.

В последнее время созданию «звуковой галлограммы» уделяется все меньшее внимание. Напротив, производители стараются создавать ненаправленные акустические системы, при работе которых положение слушателя не имело бы никакого значения. Наиболее ярким представителем этого направления является канадская компания Mirage. В их АС лицевые ВЧ и СЧ излучатели дублируются тыльными. Таким образом, звук излучается во всех направлениях. Детальность сценического образа получается не столь высокой, как у направленных систем, но вместе с тем возникает ощущение натуральности звукового события, при этом качество звучания слабо зависит от положения слушателя. Для создания круговой диаграммы направленности среднечастотные головки иногда устанавливаются на верхней панели громкоговорителя, так чтобы они излучали вверх.

Для корректной передачи тонкостей звукового образа важно, чтобы сигналы от всех динамиков попадали к слушателю одновременно. И в этом смысле идеальным решением является коаксиальное размещение излучателей. Однако создание такого рода конструкций сопряжено с массой технических проблем. И лишь немногие производители рискуют двигаться в этом направлении. Заслуженно своими коаксиальными излучателями славятся британские компании Tannoy и KEF.

Разделительные фильтры

Изначально разделительные фильтры воспринимали только как электронные пассивные устройства, предназначенные для разделения мощности между излучателями. В принципе, это является основной их функцией. Задача проектирования кроссовера очень сложна. Во-первых, он должен выдерживать большие токи, особенно в мощных АС; во-вторых, обеспечивать нужную, тщательно подобранную частоту среза и крутизну затухания АЧХ; в-третьих, оптимизировать влияние собственных частотных и фазовых зависимостей на АЧХ АС; в-четвертых, минимизировать зависимость задержки сигнала от частоты. Кроме того, разделительные фильтры не должны увеличивать реактивность акустической системы, что отрицательно сказывается на согласовании с усилителем мощности.

Выбор акустических систем

Выбор модели активной акустической системы, естественно, зависит от многих факторов: от акустических свойств озвучиваемого помещения; от требований к звуку, воспроизводимому всей системой; от параметров усилителей мощности; от условий эксплуатации, которые определяют степень надежности, удобства в использовании и даже дизайна изделия. Не в последнюю очередь свое влияние на выбор оказывает стоимость громкоговорителей, а точнее пресловутое соотношение цена / качество для моделей АС одного класса.

Если при выборе бытовых акустических систем покупатель имеет возможность оценить их, ориентируясь на свой слух, что гораздо правильнее, учитывая субъективность восприятия звука, то при проектировании звуковых систем, например, театра, банального прослушивания недостаточно. Чтобы при эксплуатации акустических систем получить от них все, на что они способны, звуковую систему необходимо рассматривать как единое целое и учитывать буквально все, что может повлиять на восприятие звука, включая архитектурные особенности, параметры звукопоглощения, уровень шума, реверберации и т.д. Учитывать технические параметры при проектировании звуковых систем и выборе АС, безусловно, необходимо, но, как правило, прежде надо уточнить методики их измерения, убедиться в их достоверности у специалистов.