Text
                    ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ
АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ИЗД АТЕЛЬСТВО
ДОСААФ
М О С К В А • I 9 б о

А дольник. M. ЭФРУССИ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗДАТЕЛЬСТВО ДОСААФ МОСКВА — 1960

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время наша промышленность выпускает большое количество различных типов приемников, ради- ол, телевизоров и другой аппаратуры. Много оригиналь- ных образцов приемо-усилительной и звуковоспроизводя щей аппаратуры конструируется и .радиолюбителями. Од нако действительно высококачественного звучания, при бЛижающегОся к естественному, в большинстве работаю- щих звуковоспроизводящих установок достичь не удает- ся. Причинами этого часто являются недостаточно высо- кие показатели громкоговорителей и усилителей, непра вильный выбор их, отсутствие согласования, несоблюде- ние специфических требований, предъявляемых к разме щению громкоговорителей в конструкции и в помещении, и т. п. В любительских условиях качество звучания опреде- ляется обычно прослушиванием разнообразных музы- кальных произведений, а потому оценка его является субъективной, зависящей от вкусов, музыкальных и тех- нических знаний, а также квалификации и опытности лиц, производящих эту оценку. Многое при субъективной оценке зависит и от подбора музыкальных произведений, качества записи (прослушивают чаще всего записи на грампластинках или магнитофонных лентах) и, кроме того, от акустических свойств помещения, где проводит- ся прослушивание. Поэтому установка, хорошо звучащая в каком-то одном помещении, может хуже или даже со- всем плохо звучать в другом. Это особенно относится к псевдостереофоническим и стереофоническим системам. Наиболее эффективного использования промышлен- ных звуковоспроизводящих установок, а тем более удач- 3
ного самостоятельного их изготовления можно достичь лишь при понимании основных физических процессов, происходящих во всех звеньях аппаратуры и особенно в ее акустической части. Поэтому авторы поставили своей целью сообщить в данной брошюре основные сведения о природе звука и слуха, об акустических особенностях и конструкции громкоговорителей различных типов, а так- же рассмотреть проблему высокой верности воспроизве- дения. Авторы считают необходимым предостеречь читателей от слепого копирования акустических систем, описанных в литературе, особенно иностранной. Краткие сведения о некоторых, хорошо зарекомендовавших себя системах приводятся в брошюре только для общей ориентировки и сравнительной оценки их. Эту же цель преследует раздел, посвященный новей- шим стереофоническим системам, имеющим наилучшие перспективы повышения качества звучания и приближения его к натуральному звучанию. Стереофония — высшая ступень звукотехники, поэтому ее следует, по мнению ав- торов, особенно рекомендовать для изучения и освоения на практике. Ограниченный объем брошюры не позволяет останав- ливаться подробно на всех специфических особенностях акустических систем. Поэтому в приложении приведен список литературы, которая рекомендуется для более глу- бокого изучения вопроса. Все замечания и пожелания по настоящей брошюре следует направлять в Издательство ДОСААФ, Москва, Б-66, Ново-Рязанская ул., 26.
ЗВУК И СЛУХ Для идеального воспроизведения звука необходимо создать в месте приема совершенно такое же звуковое поле, как и в месте исполнения музыкального произве- дения, что достичь, оказывается, очень трудно. Чтобы представить себе все трудности этой задачи, нам при- дется сначала коснуться вопроса о том, что такое звуко- вое поле и какими физическими свойствами оно обла- дает. Звуковое поле—это область пространства или объем, в котором возникают звуковые волны. Такие вол- ны могут возникать в любой твердой, жидкой или га- зообразной среде под действием механических колеба- ний, совершаемых каким-либо телом. Нас интересуют только волны, возникающие в окружающей воздушной среде, воздействующие на ухо человека и вызывающие звуковое ощущение. Одним из важных свойств таких волн является способность отражаться от препятствий: встречая на своем пути препятствия, звуковые волны мо- гут частично или полностью отражаться и поглощаться, так же как это наблюдается со светом. Распределение и интенсивность (сила) звуковых волн в звуковом поле в общем случае зависят: от мощ- ности Источника звука, характеристики направленности и других свойств источника звука, а также от формы, размеров и свойств поверхностей, ограничивающих дан- ную область пространства (объем), в которой возникает звуковое поле. Для идеального воспроизведения звука необходимо создать совершенно одинаковые внешние условия в ме- стях приема и передачи. Это значит, что и взаимное 5
расположение источников звука и слушателей, и шум, создаваемый внутри помещения и приходящий извне, и акустические свойства помещения должна быть со- вершенно одинаковыми. Отсюда следует, что практически условия идеально- го, т. е. точного, звуковоспроизведения недостижимы. Однако ееть возможность, улучшая работу звуковос- производящих систем, приблизить качество их звучания к натуральному. Для обеспечения столь высокого каче- ства звучания системы должны обладать соответствую- щими параметрами. При работе громкоговорителя, как известно, звуко- вые волны образуются в результате последовательных сжатий и разрежений воздуха, создаваемых колеба- тельными движениями диффузора (диафрагмы). Обра- зование и распространение звуковых волн — достаточно сложный физический процесс*. По своему характеру звуковые волны могут быть плоскими и круговыми (сферическими). Длина волны зависит от скорости распространения звука, которая, в свою очередь, зависит от таких факторов, как темпера- тура и давление воздуха. При частоте колебаний в 50 гц длина волны в воздухе составляет около 6,8 м, а при частоте 10 000 гц — 3,4 см. В процессе распространения звуковые волны могут не только отражаться от поверх- ностей и частично или полностью поглощаться, но они могут и огибать препятствия (явление дифракции), а также складываться или вычитаться, т. е. усиливаться или ослабляться (явление интерференции), и т. п. Все эти явления для разных частот выражены по-разному и находятся в зависимости как от длины волны (часто- ты колебаний), так и от характера последней. Рассмотрим теперь некоторые общие положения тео- рии колебаний, частным случаем которой является аку- стика— наука о законах возникновения и распростра- нения звуковых волн. Наиболее простой вид колебаний — гармоническое колебание. Графически оно изображается в виде си- нусоиды (рис. 1) и характеризуется амплитудой А — максимальным значением величины колебания; перио- * В. А. Красильников, Звуковые волны. М.,_ Гостехиздат, 1954. б
дом Т, т. е. временем одного полного колебания, и ча- стотой /, т. е. количеством ,полных колебаний или перио- дов в единицу времени (обычно в 1 сек.). Кроме того, колеблющиеся частицы в процессе гармонического (си- нусоидального) движения будут проходить в каждый момент через определенную фазу <р, т. е. одвяаковую стадию движения относительно выбранного начального положения. По расстоянию между двумя ближайшими точками с одинаковой фазой можно определить длину волны из следующих соотношений: Х = сТ=.--уг, где X —длина волны, л; с—-скорость распространения колебаний (для воз- духа, среднее значение с з= 340 м/сек); Т — период, сек; / — частота, гц. Наиболее часто встречающиеся музыкальные и рече- вые источники звуков создают колебания частотой от 40 до 15000 гц. Частота звука определяет высоту тона: чем больше частота, тем выше тон. Человек способен воспринимать звуки, вызываемые колебаниями с часто- той от 20 гц до 15—46 кгц. причем у разных людей эти пределы различны. Рис. 1. Гармонические- колебания: Ль Ля—амплитуды колебаний; Г —период колебаний; <р —сдвиг фазы между двумя кел'ёбаниямИ 7
Важными величинами, характеризующими звуковые колебания, являются интенсивность или сила звука и связанное с ней звуковое давление, измеряемое в ба- рах*. Диапазон звуковых давлений, воспринимаемых чело- веческим ухом, лежит в пределах от нескольких десяти- тысячных долей бара до сотен бар. Наиболее часто встречающиеся музыкальные и речевые источники зву- ков развивают звуковое давление в пределах от 0,0063 до 20 бар, что соответствует изменению интенсивности или силы звука в 107 раз. Таким образом, наибольшее воспринимаемое ухом изменение звука по давлению со- ставляет 3170 раз. Отношение максимального и минимального звуковых давлений, которые может создать какой-либо источник звука, называется динамическим диапазоном -этого ис- точника. Минимальная сила звука, еще отмечаемая ухом в полной тишине, называется порогом слышимости. По- следний зависит от частоты, причем область наиболь- шей чувствительности уха приходится на средние ча- стоты (при 1000 гц порог равен 10~9 эрг/сек,- см2). Зна- чительно меньшей чувствительностью ухо обладает на низших (при 100 гц порог равен 10~б эрг/сек. • см2) и высших частотах. Очень большая сила звука вызывает неприятное ощущение в ухе и даже боль. Уровень силы звука, при котором начинается неприятное ощущение, называется порогом болевого ощущения. Этот порог мало зависит от частоты и наблюдается при силе звука, равной при- мерно 103 эрг/сек • см2. Таким образом, на средних частотах ухо способно воспринимать звуковые колебания, отличающиеся по силе более чем в 10” раз. В области же низших ча- ♦ Согласно ГОСТ 8849—58 единицу звукового давления в си- стеме СГС (сантиметр, грамм, секунда) рекомендуется не называть баром, а выражать как силу (в динах), приходящуюся на едини- цу площади (в см2), т. е. изображать как дин!см2. Единицей из- мерения интенсивности или силы звука в системе СГС служит 9рг1сек/см2. Широко применявшейся ранее единице интенсивности или силы звука erlcjfi в системе СГС будет соответствовать 9рг1сек/см2 = )0-7 аг/см*. 8
стог, например на частоте 50 гц, этот диапазон умень- шается до 107 раз. То же самое наблюдается на высших частотах. Субъективной оценкой силы звука является гром- кость, характеризующая слуховое ощущение. Однако два звука одинаковой силы (но разной частоты) вслед- ствие неодинаковой чувствительности уха к различным частотам вызывают ощущение различной громкости. Субъективное ощущение громкости в зависимости от силы звука подчиняется основному психофизическо- му закону, который устанавливает, что с изменением силы звука субъективное ощущение громкости изменяет- ся приблизительно пропорционально логарифму измене- ния силы звука. Вот почему ухо .может реагировать на звуки, отличающиеся по своей силе в огромное число раз. Так как субъективное ощущение звука подчиняет- ся логарифмическому закону, то для определения отно- сительного изменения громкости звука удобно применять логарифмическую шкалу (шкалу децибелов). Если, на- пример, интенсивность .звука изменилась в 100 раз (^- = 100), то относительное изменение уровня будет равно 20 дб (Sd6— 10 1g ). Такой же шкалой поль- зуются и для определения звукового давления. Анализ способности уха реагировать на громкость в зависимости от частоты и силы звука показывает, что ухо воспринимает изменение громкости прямо пропор- ционально изменению силы звука только в полосе 500—5000 гц. На более низких или более высоких ча- стотах эту способность ухо утрачивает. Важным свойством слуха человека является способ- ность определять направление на источник звука — способность локализовать звук. Это свойство основы- вается на бинауральном эффекте: уши способны разли- чать на низших и средних частотах (до 1000 гц) разни- цу во времени прихода звука к каждому из них. На бо- лее высоких частотах (свыше 1000 гц) начинает сказы- ваться экранирующая способность головы, . из-за чего интенсивность звука, воспринимаемая ушами, будет не одинаковой, и расстояние от ушей до источника звука будет зависеть от положения головы (одно ухо ближе. 2 2 Зак. 546 9
а другое дальше от источника). Человек, слышащий од- ним ухом, не ощущает бинаурального эффекта, а по- тому испытывает затруднение в локализации источни- ка звука. Кроме того, при моноуральном (одноушном) прослушивании звучание кажется лишенным глубины и рельефности; это особенно заметно в обычных систе- мах радиовещания и звукозаписи, называемых монофо- ническими, в которых передача идет по одному кана- лу и воспринимается как бы одним «ухом» — микрофо- ном (хотя может быть и несколько параллельно вклю- ченных микрофонов, работающих на один канал). В на- стоящее время начинают внедряться системы с двумя и более сквозными каналами, обеспечивающими высо- кое, весьма близкое к естественному звучание программ. Такие системы называются стереофоническими, в отли- чие от обычных монофонических. В зависимости от качественных показателей звуко- воспроизводящие устройства разделяются на несколько классов. В результате многих экспериментов была разработана и предложена следующая классификация звуковоспроизводящих систем по ширине воспроизво- димой полосы частот: — высший класс (неискаженное воспроизведение)—- от 30—40 до 14 000—15000 гц; — первый класс (высококачественное воспроизве- дение) — от 50 до 10 000 гц; — второй класс (воспроизведение среднего качест ва)—от 100 до 6000 гц; — третий класс (воспроизведение низкого каче- ства) — от 150—200 до 4000 гц; используется для пере- дачи речи и в системах оповещения. В пределах воспроизводимой полосы частот усили- тельная и акустическая аппаратура обычно не обла- дает равномерной частотной характеристикой, т. е. зву- ки разных частот усиливаются и воспроизводятся ею неодинаково. Наряду с требованием воспроизведения определен- ной полосы частот с определенной неравномерностью к звуковоспроизводящей системе предъявляется также требование сохранения соответствующего динамическо- го диапазона, присущего той или иной звукопередаче, т. е. аппаратура должна воспроизводить как слабые звуки (шепот, пианиссимо в 'музыке и т. п.), так и наи- ю
более мощные, наблюдаемые при исполнении оркестро- вых и хоровых произведений. Динамический диапазон различных музыкальных произведений различен. Наибольшим динамическим диапазоном обладает симфонический оркестр: отношение наибольшей силы звука оркестра (при самом громком звучании) к минимальной (соло скрипки) достигает 107 раз, что соответствует 70 дб. Воспроизведение такого большого динамического диапазона звуковоспроизводящей аппаратурой сопря- жено со значительными трудностями. Верхний предел воспроизводимых интенсивностей звука ограничивается усилительной способностью и мощностью звуковоспро- изводящей аппаратуры, а нижний — шумами, которы- ми сопровождается всякое воспроизведение (фоном питающего напряжения, шумами ламп и микрофонов, шумами в помещении и т. п.). Для воспроизведе- ния самых слабых звуков необходимо, чтобы их уровень был выше уровня шумов не менее чем на 15 дб. Так, если уровень шума в жилом поме- щении, где установлен громкоговоритель, составляет относительно так называемого нулевого уровня 30 дб, то минимальный уровень передачи должен быть около 45 дб. Тогда при передаче большого оркестра макси- мальный уровень достигает 45+70 = 115 дб. Такая громкость, близкая к болевому порогу (120 дб), не- терпима для слушателей, и к тому же передача будет громко слышна в соседних помещениях. Поэтому в пе- редающих и звукозаписывающих системах принимают- ся меры для искусственного сжатия динамического диапазона (компресси и). Исходя из акустических и технико-экономических условий, установлены следующие нормы динамического диапазона для разных передающих систем: — радиовещание и грамзапись — 30—40 дб\ — вещание по кабелю — 50 дб\ —1 местное звукоусиление — 65 дб. Всякий источник звуковых колебаний обладает на- правленностью. Чем больше по сравнению с длиной волны излучающая поверхность источника звука, тем острее направленность излучения. Если длина излу- чаемой звуковой волны велика (низшие частоты), а размеры излучателя меньше этой длины, то источник и
звука не обладает направленностью. На высших же ча- стотах, т. е. при малых длинах волн, направленность излучателя повышается. На рис. 2 даны теоретические характеристики направленности излучателя (диска) диаметром 21 см, помещенного в вырезе очень боль- шого экрана. Как видно из рисунка, на средних часто- Рис. 2. Теоретические характеристики направленности колеблющегося диска диаметром 21 см, помещенного в вырезе очень большого экрана при различных ча- стотах: / — при частоте 400 гц-, 2 — при 800 гц-, 3—при 1600 гц; 4 — при 8000 гц тах (1600 гц) уже явно наблюдается направленность, которая на более высоких частотах (8000 гц) стано- вится очень острой. Речь и музыка представляют собой сочетание раз- личных по частоте и силе звуков, непрерывно меняю- щихся в процессе звучания. Даже звук, произведенный голосом певца или инструментом и воспринимаемый как тон определенной высоты, на самом деле содержит ряд дополнительных тонов (различных интенсивно- стей), частоты которых в целое число раз, т. е. в 2, 3, 4 и т. д. раза, больше основной частоты звука. Эти дополнительные тона называются гармониками, или обертонами. Их относительной силой определяется тембр звука. Тональность или высоту звука определяет самая низкая частота такого сложного колебания. На рис. 3 графически показан частотный диапазон звуча- ния речи и некоторых наиболее распространенных му- зыкальных инструментов, причем полный частотный диапазон каждого из источников звука разделен на ди- 12
апазон основных частот (сплошная линия) и диапазон обертонов (пунктир); неискаженное воспроизведение по- следних весьма важно. При воспроизведении какой-либо системой чистого (синусоидального) тона почти всегда возникают пара- зитные высшие гармоники, которых нет в первичном звуке. Но в первичном звуке часто имеются сложные созвучия, состоящие из большего числа тонов. Поэто- му, кроме гармоник всех этих тонов, при воспроизве- дении звука возможно возникновение и так называе- мых комбинационных частот, которые представляют со- бой суммарные и разностные частоты всех тонов и их С Радиола. высшего класса, ~ t " РОЯЛЬ \ Виолончель * Флейта. Контрабас ' ЛитаррЪ """J J ф___________ Заседая тр^ба Кларнет Скрипка, Женская речь Мужская речь ^Радиоприемник 1Гкласса 30 50 too 200 500 (000 2000 5000 000020000 1Ц Рис. 3. Частотный диапазон речи и наи- более распространенных музыкальных инструментов (для сравнения приведена воспроизводимая полоса частот прием- ников) гармоник попарно. Эти новые частотные составляющие проявляются в звуковоспроизводящей системе (обыч- но при больших уровнях сигнала) в виде так называе- мых нелинейных искажений и комбинационных тонов, воспринимаемых как звучание с 'хрипом, дребезжанием и т. л.). В различных системах, воспроизводящих достаточ- но широкую полосу частот, часто возникают особые ис- кажения, не связанные с нелинейностью самой систе- 13
мы, а обусловленные частотной модуляцией. Такие ис- кажения называются интермодуляционными. Они на- блюдаются, например, в диффузорных громкоговорите- лях при одновременном воспроизведении колебаний двух частот, из которых одна значительно выше Дру- гой. При этом вследствие больших колебательных ско- ростей диффузора на низших частотах искажаются вы- сокочастотные составляющие сигнала. Степень нелинейных искажений, характеризующаяся коэффициентом гармоник (клирфактором), показывает отношение (в процентах) среднеквадратичной суммы амплитуд гармоник к амплитуде основной частоты. Но этот коэффициент обычно определяется при подаче на вход звуковоспроизводящей системы синусоидального напряжения и поэтому не позволяет судить о характере и величине нелинейных искажений при одновременном воспроизведении нескольких частот, однако он все жела- ет возможность сравнивать качество аппаратуры. До- пустимая величина коэффициента гармоник на низших частотах, как показали многочисленные испытания, может быть значительно больше, чем на высших. Исследования спектров речи и музыки показали, что они представляют собой непрерывный ряд следующих друг за другом звуковых импульсов различной продол- жительности, интенсивности и частоты. Для сохране- ния формы и продолжительности звукового импульса при его воспроизведении звукоизлучатели (громкогово- рители), помимо упомянутых выше хороших частотных и нелинейных характеристик, должны иметь и хорошие переходные характеристики, определяющие способ- ность звукоизлучателя воспроизводить быстро изме- няющиеся звуковые процессы. Переходные характери- стики зависят от степени демпфирования подвижной системы громкоговорителя (т. е. быстроты прекраще- ния колебательного процесса в ней после прекращения действия электрического импульса) и улучшаются при повышении демпфирования. Таким образом, основными характеристиками, кото- рыми должна оцениваться электроакустическая аппа- ратура, .являются: мощность, полоса воспроизводимых частот при определенной неравномерности частотной характеристики, динамический диапазон и величина нелинейных искажений. Что же касается характеристи- 14
юи направленности, определяющей зависимость каче- ства звуковоспроизведения от смещения слушателя от оси громкоговорителей, то она обычно не задается. Но при конструировании аппаратуры и особенно при озву- чивании больших помещений и открытых площадей принимают меры для получения широкой характеристи- ки направленности во всей полосе частот. Вопрос о демпфировании звукоизлучателей будет подробно изложен далее. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫСОКОЙ ВЕРНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ В послевоенные годы в связи с широким внедрени- ем новой техники в радиовещании и звукозаписи — пе- редатчики КВ и УКВ диапазонов с частотной модуля- цией, долгоиграющие пластинки, высококачественные магнитофоны и т. п.—возникла проблема высококаче- ственного звуковоспроизведения. Существовавшая рань- ше- приемо-усилительная аппаратура не позволяла реа- лизовать все возможности этих новых видов вещания и звукозаписи. Это послужило причиной разработки новых звуковоспроизводящих систем, с помощью ко- торых возможно приблизить звучание акустических устройств к натуральному, т. е. передать всю свойст- венную тому или иному музыкальному исполнению ок- раску и динамический диапазон, а также сохранить пространственное распределение всех звуковых состав- ляющих. В современных радиоприемниках и усилителях зву- ковоспроизводящим устройством является громкогово- ритель, который представляет собой преобразователь электрической энергии в звуковую. Наилучшими'совре- мемными громкоговорителями в отношении. качества воспроизведения являются электродинамические диффу- зорные и рупорные громкоговорители, поэтому они получили в настоящее время очень широкое распрост- ранение. Однако им свойственен и ряд недостатков: малый к.п.д„ недостаточно равномерная частотная характери- стика, обычно резко падающая в области низших (ни- же 150—250 гц) и высших (выше 5—6 кгц) частот, и резко направленные свойства для частот выше 2—3 кгц. )Я
При использовании одного громкоговорителя для воспроизведения широкой полосы частот проявляются противоречивые требования, предъявляемые к его кон- струкции, выполнение которых необходимо для доста- точно хорошего воспроизведения низших и высших ча- стот, особенно в громкоговорителях мощностью в 5 ва и выше. Подвижная система громкоговорителя, рас- считанного на эффективное воспроизведение низших частот, должна иметь большой и прочный диффузор, чтобы он мог без деформаций воспроизвод1ить значи- тельные пиковые мощности, которые как раз приходят- ся на область низших частот, особенно в музыкальных передачах. Звуковая катушка такого громкоговорите- ля должна иметь достаточную поверхность охлажде- ния (1,5—2 см2 на 1 вт подводимой мощности). С дру- гой стороны, для эффективной передачи высших частот подвижная система (диффузор и звуковая катушка) должна быть достаточно легкой, т. е. они должны иметь небольшие размеры и минимальный вес. Эти. противоречивые требования практически вряд ли совместимы, поэтому задачу воспроизведения широ- кой полосы частот решают иначе: применением в диф- фузорных электродинамических громкоговорителях сложной подвижной системы или комбинированным использованием двух и более громкоговорителей раз- личных типов, каждый из которых предназначен для воспроизведения соответствующей части частотного диапазона. В первом случае применяют двухдиффузорные ши- рокополосные электродинамические громкоговорители с обычным низким к.п.д. и узкой характеристикой на- правленности на высших частотах. Во вторам случае конструкцию самого громкоговорителя усложнять не требуется, так как воспроизведение высших и низших частот осуществляется за счет разделения частотных полос между отдельными громкоговорителями. Практи- чески рабочую полосу частот достаточно разделить только на две части: от 30—40 до 500—1000 гц и от 500— 1000 до 10 000— 12 000 гц. Если необходимо воспро- изводить более широкую полосу частот (до 15—18 кгц), частоту разделения каналов следует повышать до 3— 4 кгц. Такие двухполосные агрегаты громкоговорителей в настоящее время весьма успешно используются для вы - Iti
оококачественного звуковоспроизведения. В них, помимо высококачественного воспроизведения широкой полосы частот, значительн'о уменьшаются интермодуляцион- яые искажения, так как одновременное излучение низ- ших и высших частот осуществляется разными под- вижными системами. Звуковые катушки низкочастот- ного и высокочастотного громкоговорителей, работаю- щих в двухполосной системе, необходимо подключать Рис. 4. Схемы разделительных фильтров: а — схе- ма с параллельным включением элементов; б — схема с последовательным включением элементов; в и г — комбинированные схемы к выходу усилителя через фильтр, служащий для раз- деления выходной электрической мощности на две ча- сти таким образом, чтобы колебательная энергия ча- стот, лежащих ниже частоты разделения, подавалась на низкочастотный громкоговоритель, а колебатель- ная энергия частот, лежащих выше,—на высокочастот- ный. Наиболее распространенные схемы разделительных фильтров приведены на рис. 4. В зависимости от соот- ношения мощностей усилителя и громкоговорителей, в каждой полосе НЧ или ВЧ может работать один, два и более громкоговорителей. Емкость конденсатоиов и индуктивность дросселей 3 Зак. 546 17
разделительных фильтров определяются сопротивлени- ем звуковых катушек и выбранной частотой разделения. При равенстве сопротивлений звуковых катушек . низ- кочастотного и высокочастотного громкоговорителей величина конденсаторов и дросселей рассчитывается по формулам, приведенным в табл. 1, где /? —сопротивле- ние звуковых катушек, ом, a o>p = 6,28 f р (fp—частота разделения, гц). Таблица I Формулы для расчета элементов схем рис. 4 Элемент фильтра а и б в г R R 1,4/? "р 1,4шр "р С>Ф 1 1,4* 1 шр R шр/? 1,4Шр/г В случае, если- сопротивления звуковых катушек громкоговорителей различны, их следует уравнять с помощью согласующего трансформатора. Такой тран- сформатор (или автотрансформатор) лучше применять для высокочастотного громкоговорителя и в зависи- мости от соотношения сопротивлений звуковых кату- шек использовать либо на повышение (если сопротив- ление катушки НЧ громкоговорителя меньше), либо на понижение. Его коэффициент трансформации вычи- сляется по формуле где /?н — сопротивление низкочастотного громкогово- рителя; /?, —сопротивление высокочастотного .громкогово- рителя. Входное сопротивление агрегата, подключаемого к усилителю через фильтры, рассчитанные по формулам табл. 1, почти -.-е зависит от частоты и численно равно входному сопротивлению одного громкоговорителя, ес- ли, конечно, оно само мало зависит от частоты. Такая малая зависимость как раз существует в электродина- мических громкоговорителях, хорошо согласованных со
своим акустическим оформлением. Поэтому выход- ной трансформатор усилителя низкой частоты следует рассчитывать обычным порядком, учитывая сопротив- ление только одного громкоговорителя. Обоснованный выбор количества громкоговорителей я нх типов для каждой полосы частот, правильный ра- счет и выполнение акустических элементов агрегата именно и позволяют получить высокую верность воспро- изведения. Для успешного решения вопросов, возникающих при конструировании акустических систем, необходимо прежде всего познакомиться с физическими условиями работы громкоговорителей раздельно в области низших и высших частот. Роль внешнего оформления. Условия излучения громкоговорителем звуковой энергии низших частот весьма неблагоприятны и во многом зависят от внеш- него (акустического) оформления. Дело в том, что диф- фузор громкоговорителя при движении вперед сжима- ет воздух впереди себя и разрежает его сзади. Эти сжа- тия и разрежения создают звуковые волны, которые по фазе сдвинуты друг относительно друга на 180° (*/2 длины волны). Если в точку пространства, где на- ходится слушатель, придут обе волны, сжатия и разре- жения, то, складываясь одна с другой, они будут вза- имно уничтожать друг друга и звук будет резко ослаб- лен. Такой эффект называется акустическим «коротким замыканием». При этом, вместо того чтобы передавать звуковые колебания дальше, диффузор перегоняет воз- дух с одной стороны на другую (рис. 5,а). Для устранения акустического «короткого замыка- ния» громкоговоритель укрепляют на щите (экране), разделяющем переднюю и заднюю излучающие сторо- ны диффузора. При этом изменение давления в воз- душном слое перед громкоговорителем, непосредствен- но примыкающем к диффузору, будет передаваться соседним слоям воздуха и направляться дальше, т. е. будет происходить излучение звука (рис. 5,6). Акустическое • «короткое замыкание» проявляется только в области самых низких звуковых частот (ни- же 300 гц), для которых размеры диффузора .малы по сравнению с длиной волны. Для более высоких звуко- вых частот, т. е. когда длина волны мала, воздействие 19
волны с задней стороны диффузора ослабляется самим диффузором. Из этого следует, что если в точке приема сдвиг фазы колебаний, возбужденных задней стороной диффузора, равен целому числу длин волн (А,, 2 Л, 3 Л и т. д.), то эти волны будут вычитаться из волн от пе- Рис. 5. К пояснению действия экрана громкоговорителя: а—громкоговоритель без экрана; б — громкоговоритель с бесконечно большим экраном редней стороны диффузора, а звук ослабляться; если этот сдвиг фазы равен нечетному числу полуволн (0,5А., 1,5 к, 2,5 А, и т. д.), то обе волны будут складываться, а звук усиливаться. Вычитание и сложение звуковых волн различных частот создает вдоль оси громкоговорителя максимумы и минимумы (пики и провалы) звукового давления. Этот неприятный эффект резче выражен тогда, когда громкоговоритель установлен в центре акустического экрана квадратной и особенно круглой формы, потому что запаздывание фазы волны от задней стороны диф- фузора будет одинаковым вокруг всего экрана. В сторо- не от осевой линии это запаздывание фазы не будет оди- наковым для всех волн, поэтому пики и' провалы звуко- вого давления несколько сгладятся. Вследствие этого целесообразно размещать громкоговоритель не в центре 20
экрана или использовать акустические экраны непра- вильной формы. Как следует из сказанного, размеры акустического экрана, если необходимо воспроизводить низшие ча- стоты, должны быть довольно большими, что в боль- шинстве случаев неосуществимо. В качестве примера укажем, что для обеспечения нормальной работы громкоговорителя при частоте 50 гц (длина волны 1=680‘ с.м) необходимо иметь щит со стороной или диаметром не менее 340 см. Конечно, та- кой щит слишком громоздок. Впрочем, подобный щит и не всегда бывает нужен, так как он бесполезен, если сам громкоговоритель не излучает этих частот. Вместо щитов уже давно широко применяются ящи- ки с открытой задней стенкой (ящик радиоприемника), а также полностью закрытые ящики, фазоинверторы и другие конструкции. Расчету и конструированию внеш- него акустического оформления ниже посвящается спе- циальный раздел. Особенности воспроизведения высших частот. На воспроизведение высших частот значительное влия- ние оказывает характеристика- направленности гром- коговорителя. Ранее уже отмечалось, что с повы- шением частоты характеристика направленности гром- коговорителей становится более острой, причем на- правленность характеристики будет выше у громкого- ворителей с большим диаметром диффузора. В ре- зультате направленного излучения звуковых колеба- ний качество звучания громкоговорителя оказывается лучшим для слушателей, сидящих ближе к рабочей оси громкоговорителя, и худшим для слушателей, на- ходящихся в стороне от этой оси. По этим причинам, например, нельзя рекомендовать 'размещение громкого- ворителей только на верхних или только на боковых стенках ящиков (что, к сожалению, сделано, например, в некоторых наших телевизорах). Это же обстоятельст- во не позволяет получить удовлетворительное прост- ранственное распределение звука в помещении. Фиксированное положение источника звука жела- тельно иметь при речевых передачах, когда известное месторасположение лектора или артиста (чтеца) спо- собствует лучшему восприятию передаваемого материа- ла и не рассеивает внимание слушателя. 2t
Совершенно другие условия требуются для воопро-- извещения музыкальных произведений, особенно испол- няемых большими ансамблями (симфонические орке- стры, хоры и т. п.). В этом случае необходимо иметь возможно более широкую характеристику направлен- ности на высших частотах. И хотя такое звучание еще весьма далеко от натурального в части пространствен- ного распределения звука, все же ослабление эффекта локализации звука в месте расположения громкогово- рителя значительно улучшает художественность и ка- чество восприятия музыкальных произведений. В промышленных и любительских приемниках и ра- диолах расширение характеристики направленности осуществляется применением дополнительных высоко- частотных громкоговорителей, устанавливаемых на бо- ковых стенках ящиков. В более совершенных и мощных звуковоспроизводя- щих системах (например, в кинотеатрах) применяются специальные высокочастотные громкоговорители, снаб- женные особыми рассеивающими многоячеечными ру- порами или акустическими линзами, которые обладают нужной характеристикой направленности, почти не за- висящей от частоты. Демпфирование громкоговорителя. Качество звуко- воспроизведения зависит не только от ориентировки громкоговорителя и частотных и амплитудных харак- теристик звеньев звуковоспроизводящего тракта. Оно. а тем более высокая верность передачи музыки и ре- чи, определяется во многом переходными характеристи- ками громкоговорителей. Эти характеристики, показывая поведение громкого- ворителя в момент перехода его подвижной системы от состояния покоя к воспроизведению сигнала или наобо- рот, определяют способность громкоговорителя воспро- изводить те или иные, быстро изменяющиеся во време- ни, колебательные процессы, что является весьма важ- ным свойством, характеризующим чистоту и качество звукопередачи. Как показали многочисленные исследования, дина; мнческая структура речи и музыки имеет импульсный характер. Речь и в значительной степени музыка пред- ставляют собой непрерывный ряд следующих один за другим звуковых импульсов различной продолжитель- 22
«ости, интенсивности и частоты, (высоты тона). Хоро- ший громкоговоритель должен иметь поэтому и хоро- шие переходные характеристики, обеспечивающие его способность точно преобразовывать электрический им- пульс в звуковой, т. е. сохранять форму и продолжи- тельность импульса. Переходные характеристики громкоговорителя опре- деляются степенью электромеханического демпфирова- ния подвижной системы, т. е. величиной механических потерь (внутреннего трения). Недостаточное демпфи- рование подвижной (колебательной) системы громко- говорителя выражается появлением в его Частотной ха- рактеристике одного или нескольких максимумов (пи- ков), свидетельствующих о том, что система имеет -одну или несколько резонансных частот. Высота пика указывает на степень демпфирования '(затухания): чем больше максимум, тем меньше зату- хание в колебательной системе. Плохие переходные ха- рактеристики . громкоговорителя и его неспособность точно воспроизводить электрический импульс объясня- ются тем, что подвижная система громкоговорителя (диффузор со звуковой катушкой) не только смещает- ся электрическим импульсом из положения покоя, но и приводится в колебание на собственных (резонансных) частотах системы. Эти собственные колебания подвиж- ной системы проявляются как в начале, так и в конце электрического импульса, причем, являясь свободными затухающими колебаниями подвижной системы гром- коговорителя, они могут продолжаться и после пре- кращения действия импульса. При слабом демпфировании затухание собственных колебаний подвижной системы громкоговорителя про- должается довольно долго (0,1—0,15 сек.); вследствие этого они могут наложиться на следующий звуковой импульс и значительно исказить сигнал, сопровождая его призвуками, отсутствующими в сигнале. Для иллюстрации на рис. 6 приводятся осцилло- граммы эд.с., развиваемых в звуковых катушках двух громкоговорителей, зашунтированных сопротивлением 70 ом, после вывода катушки из состояния покоя им- пульсом постоянного тока. На рис. 6,а показана осцил- лограмма недостаточно демпфированного громкоговори- теля, затухание собственных колебаний которого про- за
должается <в течение более чем восьми периодов. На ' рис. 6,6 показан образец кривой затухания собственных «хлебаний хорошо демпфированного громкоговорителя; как видно из осциллограммы, собственные колебания прекращаются уже после одного полного колебания (около 0,02 сек.). а Рис. 6. Осциллограммы э.д.с., развиваемых в звуковых катуш- ках громкоговорителей, зашунтированных сопротивлением 70 ом: а — система плохо демпфирована; б — система с хоро- шим демпфированием Другая иллюстрация влияния демпфирования на ка- чество громкоговорителя представлена на рис. 7, на котором приведены две частотные характеристики од-1 ного и того же« громкоговорителя мощностью 6 ва: кри« вая 1 снята при отсутствии демпфирования, а кривая 2—при демпфировании по краевому гофру диффузора. Кривые показывают, как демпфирование сглаживает частотную характеристику, уменьшая высоту отдель- ных пиков, а некоторые устраняя совсем. Демпфирующее влияние на подвижную систему, громкоговорителя оказывает и выходной каскад усили* Рис. 7. Частотная характеристика громкоговорителя мощностью 6 ва: 1 — без демпфирования; 2 — с демп- фированием по краевому гофру 24
теля. Дело в том, что при колебаниях звуковой катуш- ки в магнитном поле в катушке наводится ток, проти- водействующий перемещениям катушки, т. е. тормозя- Рис. 8. Осциллограммы затухающих колебаний в одном и том же громкоговорителе: а —при шунтировании звуковой катушки сопротивлением 70 ом-, б — при шунтировании. со- противлением 18 ом щий ее колебания. Чем меньше выходное сопротивле- ние усилителя, шунтирующее звуковую катушку, тем больше величина наведенного тока и тем большая си- ла торможения создается им. На рис. 8, а и б изобра- жены осциллограммы затухающих колебаний одного и того же громкоговорителя при шунтировании его зву- ковой катушки сопротивлениями 70 и 18 ом (эквива- лентными выходному сопротивлению усилителя). Кривые указывают на большую роль величины выходного со- противления усилителя в демпфировании громкогово- рителя. Они же поясняют, почему низкое выходное со- противление усилителя, которое обеспечивается приме- нением отрицательной обратной связи, является обяза- тельным условием повышения качественных показате- лей усилителя*. Некоторое демпфирующее действие на громкогово- ритель оказывает также так называемое сопротивление излучения. Степень этого демпфирования зависит от акустического оформления громкоговорителя, опреде- ляющего его акустическую нагрузку. Следует указать, что многочисленные эксперимен- ты, проведенные для исследования влияния демпфиро- * В зарубежной литературе демпфирующие свойства усилите- ля' оцениваются его «демпфирующим фактором», равным отноше- нию номинальной нагрузки усилителя Ru к его выходному сопро- _ Ra „ тивлению г., т. е, D=— , или в децибелах' Du = 201g^. 4. Зак. 5U Э6
мния подвижной системы громкоговорителя на каче- ство звуковоспроизведения, полностью подтвердили большую важность сильного демпфирования. Вот по- чему нам кажется предпочтительнее выравнивать ча- стотную характеристику громкоговорителя демпфиро- ванием, а не методом компенсации, когда громкогово- рители подбираются так, что максимумы частотной ха- рактеристики одного компенсируют провалы в харак- теристике другого. Требования., предъявляемые к усилителю. Освеще- ние проблемы высококачественного звуковоспроизведе- иия будет неполным, если не коснуться некоторых во- просов, относящихся к работе усилителя, предназна- ченного обеспечить соответствующее качество работы акустической системы. Требования, предъявляемые к усилительным устройствам, очень высоки. Последние должны обладать значительной мощностью (порядка 8—15 вт) и очень широкой полосой воспроизводимых частот (от 30—40 гц до 12—15 кгц) при весьма малом уровне собственных шумов (—60 дб и ниже). Шумы резко ухудшают восприятие высших частот, а кроме того, сужают воспроизводимый динамический диапазон. Нелинейные искажения, возникающие в разных звень- ях усилителя, т. е. гармоники, комбинационные, интер- модуляционные и другие дополнительные частоты, вы- зывающие искажения, должны быть сведены к миниму- му. В этом отношении хорошо зарекомендовали себя так называемые ультралинейные выходные каскады, у которых коэффициент гармоник (клирфактор) не пре- вышает 1—2% при значительных выходных мощностях (до 40—50 вт). Низкий коэффициент гармоник таких усилителей, т. е. малый уровень нелинейных искаже- ний, и явился поводом называть их ультралинейными. Однако ультралинейные широкополосные усилители не свободны от интермодуляционных искажений, кото- рые возникают главным образом в выходных трансфор- маторах. Более эффективно двухполосное усиление, когда разделение частот осуществляется не на выходе усили- теля, а в предварительных каскадах. Такой способ сквозного двухполосного усиления позволяет значитель- но улучшить все качественные характеристики звуко- воспроизводящей системы, в том чгйгле и уменьшить Э6
интермодуляционные, искажения. При этом требуется, помимо соответствующего фазирования звуковых кату- шек громкоговорителей, также и фазирование вторич- ных обмоток выходных трансформаторов. Сквозное двухполосное усиление лучше всего ис- пользовать в более мощных устройствах (от 15—25 вт и выше), и усилитель каждой полосы может быть вы- полнен по ультралинейной схеме. Такое разделение ра- бочей полосы позволяет выполнить акустические систе- мы с лучшими технико-экономическими и эксплуата- ционными показателями. В современных системах звуковоспроизведения по- вышенные требования предъявляются и к фазовой ха- рактеристике усилителя, форма которой для обычных акустических систем при однополосном усилении не иг- рает какой-либо роли. Снижение фазовых искажений, необходимое в современных системах звуковоспроизве- дения, достигается в частности применением корректи- рующих элементов. Значительное уменьшение фазовых искажений может быть получено в усилителях с бес- трансформаторным выходом. Эти усилители имеют це- лый ряд преимуществ и начинают широко применять- ся в практике, однако для их осуществления необходи- мы специальные лампы с большой крутизной и малым внутренним сопротивлением; а также высокоомные зву- ковые катушки (400—1000 ом) в громкоговорителях. Особо следует остановиться на способах регулиров- ки тембра. Технические возможности новейших систем звуковоспроизведения позволяют в чрезвычайно широ- ких пределах (±15-^20 дб), преимущественно на край- них участках рабочего диапазона, регулировать частот- ную характеристику усилителя низкой частоты. В настоя- щее время вместо ручной плавной регулировки тембра, раздельной по высшим и низшим частотам, начинают применяться клавишные регуляторы тембра, рассчитан- ные на включение ряда стандартных фиксированных частотных характеристик в зависимости от рода пере- дачи (речь, сольный номер, симфонический оркестр, джаз и т. п.). Такой способ регулировки тембра целе- сообразно использовать только в промышленных раз- работках, где весь комплекс аппаратуры (в данном случае усилитель низкой частоты и громкоговорители) правильно подбирается, взаимно отлаживается и цели- 27
ком контролируется при выпуске. Внедрение стандарт- ных (фиксированных) частотных характеристик > са- модельных усилителях низкой частоты нельзя рекомен- довать потому, что достоверно неизвестна частотная ха- рактеристика применяемого в конструкции громкого- ворителя или агрегата и измерить ее не всегда представ- ляется возможным. Это не позволяет рассчитывать и регулировать фиксированные частотные характеристи- ки усилителя низкой частоты так, чтобы полная (сквоз- ная) частотная характеристика установки, измеренная по звуковому давлению, соответствовала исполняемому музыкальному произведению. Кроме того, применение клавишных регуляторов тона не дает возможности «при- спосабливания» к акустике помещения, в котором ведет- ся прослушивание, а также к индивидуальным вкусам слушателей. Последний недостаток, конечно, свойственен и про- мышленной аппаратуре, в некоторых образцах которой (за рубежом) уже начинают дополнять клавиши регуля- торов тембра ручной подстройкой тембра. В радиолюбительских конструкциях лучше всего применять обычную ручную регулировку тембра (от- дельно в области высших и низших частот), причем сле- дует отдать предпочтение схемам, где применяются ча- стотнозависимые делители напряжения. Усилители, в которых используется отрицательная обратная связь, часто не обеспечивают требуемой глубины регулировки тембра из-за изменения фазовых характеристик, в ре- зультате чего при некоторых положениях регулятора тембра отрицательная обратная связь' превращается в положительную,. вызывая неустойчивость работы уси- лителя, самовозбуждение (генерацию) и другие неже- лательные явления. Однако хорошо рассчитанные и правильно отлаженные цепи отрицательной обратней связи позволяют улучшить параметры усилителя, умень- шить уровень собственных шумов и повысить стабиль- ность работы. Но это возможно лишь при соответствую- щей подгонке и проверке фазовых характеристик, из- мерение которых в радиолюбительской практике обыч- но не производится. При двухполосной системе усиления, когда разде- ление полос осуществляется в предварительных кас- кадах, легче подобрать соответствующее распределение
мощности, подаваемой на громкоговорители, воспроиз- водящие низшие и высшие частоты, и учесть акустиче- ские особенности помещения. Кроме того, регулировка тембра в этом случае может осуществляться измене- нием коэффициента усиления в каждой полосе, что, однако, сопровождается изменением частоты разделе- ния и должно учитываться. ВЫБОР ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАБОТЫ В АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Основным элементом всякой акустической системы являются громкоговорители, причем в современных акустических системах обычно применяются громкого- ворители электродинамического типа, обладающие наи- лучшими качественными показателями. Электродинамические громкоговорители в зависимо- сти от способа излучения звуковых колебаний подраз- деляются на громкоговорители прямого излучения и рупорные. Громкоговорители прямого излучения имеют диффузоры, излучающие звук непосредственно в окру- жающую воздушную среду, диафрагмы рупорных гром- коговорителей излучают звук через рупоры различных форм. Электродинамические громкоговорители, кроме того, разделяются на громкоговорители с постоянными магнитами и громкоговорители с электромагнитным возбуждением (с подмагничиванием). Акустические свойства одинаковых по мощности громкоговорителей практически не отличаются, незави- симо от того, какая магнитная система в них примене- на: электромагнитное возбуждение или постоянный магнит. Однако громкоговорители с постоянными маг- нитами имеют ряд преимуществ. Отсутствие обмотки возбуждения дает большую надежность в эксплуата- ции, обеспечивая экономию электроэнергии и работу в более легком тепловом режиме при стабильной магнит- ной индукции в зазоре (при электромагнитном возбуж- дении индукция изменяется при колебаниях питающе- го напряжения). Эти преимущества громкоговорителей с постоянными магнитами привели к тому, что в на- стоящее время они лишь и выпускаются, причем лю- 29
бых мощностей, начиная от долей вольтампера до не- скольких десятков вольтампер. Технические данные динамических диффузорных громкоговорителей для радиовещательных приемников, телевизоров и радиол определяются ГОСТом 9010—59. В приложении 1 приводится сводная таблица данных наиболее распространенных типов громкоговорителей. Громкоговорители характеризуются рядом показате- лей, определяющих их качество и эффективность рабо- ты. Основными показателями являются номинальная мощность, среднее звуковое давление (чувствитель- ность), диапазон воспроизводимых частот, определяе- мый частотной характеристикой, допустимые нелиней- ные (амплитудные) искажения, входное сопротивление и направленность излучения. Номинальная мощность. Максимальная величина электрической мощности переменного (синусоидально- го) тока звуковой частоты, подводимой к громкогово- рителю, при которой на пиках передачи не нарушается ~ его механическая и тепловая эксплуатационная проч- ность, а нелинейные искажения не превышают допу- стимой для данного типа громкоговорителя величины, установленной стандартом (ГОСТ) или техническими условиями, называют номинальной мощностью громко- говорителя; она выражается в вольтамперах (ва). • Среднее звуковое давление. С целью унификации условий измерений и для удобства сравнения между со- бой различных громкоговорителей согласно стандарту на методы акустических испытаний (ГОСТ-7323—55) оп- ределяется так называемое стандартное звуковое дав- ление, которое измеряется в динах на квадратный сан- тиметр (® барах) в точках, лежащих на рабочей оси* громкоговорителя, и обычно приводятся к расстоянию 1 м. Определение среднего звукового давления в помеще- нии (каморе) производится при подведении напряжения, соответствующего мощности 0,1 ва, на частоте 1000 гц, а при испытаниях на открытом воздухе — номинальной мощности громкоговорителя (но не более 5 ва). * Рабочей осью громкоговорителя называется направление преимущественного использования в нормальных условиях экс- плуатации, оговоренное ГОСТом или ТУ для каждого типа гром- коговорителя. 30
Среднее стандартное звуковое давление громкого верителя определяется как среднеарифметическое стан- дартных звуковых давлений, измеренных на тех из 19 частот: 100, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500. 4500, 5500,- 6500, 8000, 10000, 12 000, 15 000 гц, которые входят в номинальный ча- стотный диапазон, установленный техническими усло- виями на испытуемый тип громкоговорителя. Частотная характеристика. Стандартное звуковое давление громкоговорителей обычно сильно зависит от частоты, поэтому и определяется оно при различных ча- стотах в пределах полосы, воспроизводимой громкого- ворителем. Графическое изображение зависимости зву- кового давления от частоты позволяет судить о качест- ве громкоговорителя; эта зависимость называется ча- стотной характеристикой громкоговорителя. Чем более •широкий частотный диапазон охватывается частотной характеристикой и чем она равнее, тем лучше громко- говоритель. Неравномерность частотной характеристики опреде- ляется отношением наибольшего и наименьшего уровней звукового давления, выраженных в децибелах (N = =201g§^). *мин В некоторых случаях неравномерность частотной ха- рактеристики определяют по отношению к среднему уровню ^ = 20 и W = 201g7pp). Неравномер- “ср ^мин ность характеристики в этом случае выражается со зна- ком + (плюс, минус). Нелинейные искажения оцениваются величиной ко- эффициента гармоник (клирфактором). Чем больше значение этого коэффициента, тем больше будет иска- жаться натуральный тембр звука: может появиться хрип, дребезжание и т. п. Нелинейные искажения связаны с амплитудной ха- рактеристикой, выражающей зависимость звуковой энергии, развиваемой громкоговорителем, от величины подводимой к нему электрической мощности. В слу- чае, если амплитудная характеристика громкоговори- теля выражается линейной зависимостью на всех ча- стотах в пределах передаваемого динамического диапа- 31
вона, нелинейные искажения не возникают и форма ввуковых колебаний будет соответствовать форме тех электрических колебаний, которые подводятся к гром* коговорителю. В противном случае форма звуковых колебаний искажается и возникают нелинейные иска- жения. Входное сопротивление. Входным, или полным, электрическим сопротивлением громкоговорителя назы- вают сопротивление переменному (синусоидальному) току, измеренное на какой-либо частоте на зажимах громкоговорителя (звуковая катушка) или на входных зажимах всякого рода дополнительных устройств (со- гласующий трансформатор, разделительные фильтры и т. п.), если они являются неотъемлемой частью конст- рукции громкоговорителя (например, громкоговорителя радиотрансляционной сети) или агрегата. Входное сопротивление громкоговорителя наряду с активной составляющей имеет также реактивную (для электродинамических громкоговорителей — индуктив- ную) составляющую. От соотношения этих составляю- щих зависит частотная характеристика входного сопро- тивления громкоговорителя. Менее всего изменяется по частоте входное сопротивление электродинами- ческих громкоговорителей, а из них —г у рупор- ных. Графическое изображение изменения входно- го сопротивления громкоговорителя при изменении ча- стоты позволяет определить нагрузку выходного каскада усилителя и частоту основного собственного резонанса подвижной системы, на которой значительно увеличи- вается входное сопротивление. Частоту резонанса весьма важно знать для расчета акустической системы в обла- сти низших частот, особенно если одновременно работа- ют два или несколько громкоговорителей. Направленность излучения. Зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем на данной частоте в любой точке пространства, находящейся на оп- ределенном расстоянии от центра внешней поверхности диффузородержателя или устья рупора громкоговорите- ля, по отношению к точке пространства, лежащей на том же расстоянии на рабочей оси громкоговорителя, назы- вается характеристикой направленности. Обычно в типовых данных большинства громкогово- рителей этот показатель не приводится, но при конструи- 33
ровании акустических систем, а также при озвучании помещений и открытых площадей принимают меры для получения нужной характеристики направленности во всем диапазоне частот. Условия эффективной работы громкоговорителей. Акустическая система любой современной звуковоспро- изводящей установки, претендующей на достаточно вы- сокую верность воспроизведения, состоит обычно из не- скольких громкоговорителей. Для того чтобы аку- стическая система соответствовала усилительной ча- сти установки, необходимо в первую очередь, что- бы суммарная номинальная мощность громкоговорите- лей, используемых в ней, была не меньше максимальной допустимой мощности выходного каскада усилителя НЧ. Перегружаемые громкоговорители вносят большие искажения. Необходимо, чтобы громкоговорители равно- мерно воспроизводили ту полосу частот, на'которую рас- считан приемник или усилитель НЧ. Таккак громкогово- рители резко снижают отдачу на частотах, лежащих ни- же основной резонансной частоты (60—120 гц), то жела- тельно применять громкоговорители с достаточно низ- кой частотой основного резонанса. В случае использования в акустической системе не- скольких однотипных громкоговорителей для наиболее эффективной работы в области низших частот их необ- ходимо подбирать так, чтобы частоты основного резо- нанса отличались на 20—30 гц, причем лучше, если са- мая низшая частота основного резонанса не будет пре- вышать 40—50 гц. Для воспроизведения низких частот в подобной си- стеме желательно иметь не менее двух громкоговорите- лей, подобранных таким образом и располагаемых ря- дом на фронтальной панели. В этом случае значительно повышается эффективность излучения низших частот к.п.д. (отдача) возрастает почти в два раза. Это про- исходит потому, что при одновременной синфазной ра- боте и близком расположении друг к другу громкогово- рителей вдвое увеличивается эффективная излучающая поверхность, вызывающая четырехкратное (22) увеличе- ние излучаемой звуковой энергии (пропорционально квадрату излучающей поверхности), тогда как потреб- ляемая от усилителя электрическая мощность только удваивается. 31 5 Зак. 546
а Два варианта Рис. 9. крепления громкоговори- телей на толстой панели (экране): а — крепление громкоговорителя в рас- ширяющемся отверстии; б — крепление громкого- ворителя на наружной При дальнейшем увеличении числа громкоговорителей (до 4— 6 шт.) происходит соответствую- щее повышение к.п.д. Однако большее число их брать не сле- дует, так как конструкция аку- стического оформления становит- ся громоздкой, а .прирост к.п.д. будет незначительным. Правильный подбор громко- говорителей выравнивает общую частотную характеристику систе- мы. Происходит это потому, что разные экземпляры громкогово- рителей, даже одного и того же типа, имеют неодинаковые ча- стотные характеристики. Подъе- мы (гонки) и провалы чувстви- тельности оказываются несколь- ко сдвинутыми по частоте, а по- тому они взаимно компенсиру- ются. Заботясь об обеспечении хо- рошего воспроизведения, следует не забывать и об эффективности излучения высших частот. Если громкоговорители размещены в глу- бине ящика или в прорези, сделанной в толстой стенке (20—30 мм), то воспроизведение высших частот может ухудшиться, так как перед диффузорами образуется объем воздуха, увеличивающий эффективную массу подвижной системы. В этом случае полезно отверстие для громкоговорителя прорезать в виде конуса (рис. 9,а) с углом в 45° (между образующей конуса и поверх- ностью суенки) или крепить его на наружной стороне (рис. 9,6). Значительное влияние на излучение высших частот оказывают всякого рода облицовочные и декоративные элементы, такие, как драпировочный шелк, решетки, жа- люзи и т. п., выбираемые в основном по эстетическим соображениям. Так, слишком плотный шелк или густая решетка (сетка) могут внести затухание и ослабить из- лучение высших частот. Те же решетки и жалюзи при значительной их толщине могут иногда создать резонанс- 34
мые явления, следствием чего на частотной характеристи- ке появляются дополнительные пики и провалы. Поэтому все это дополнительное оформление следует применять весьма осторожно и не вводить нелишние усложнения. Для воспроизведения высоких частот в акустической системе желательно иметь большее число громкоговори- телей (3—4 шт.), чем для воспроизведения низких ча- стот; располагать эти громкоговорители следует по- дальше друг от друга и не только на фронтальной, но и на боковых панелях. К рекомендациям по размещению громкоговорителей мы еще вернемся дальше. Здесь же мы остановимся на вопросе, как лучше соединять меж- ду собой работающие совместно однотипные громкого- ворители: параллельно или последовательно. С. энерге- тической стороны это безразлично, но электроакустические соображения, приведенные выше, указывают на жела- тельность электрического демпфирования подвижной системы, которое будет большим при параллельном сое- динении звуковых катушек. Демпфирование это будет наиболее эффективно в области частот основного резо- нанса при достаточном различии этих частот (на 20— 30 гц), так как в обе стороны от резонансной частоты входное сопротивление громкоговорителя уменьшается. Это положение хорошо согласует- ся и с требованиями, предъявляемыми к частот- ной характеристике, а поэтому громкоговорители, ра- ботающие в низкочастотной части звукового диапазона или в широкой полосе, предпочтительнее соединять па- раллельно. Что касается высокочастотных громкоговорителей — «пищалок», у которых частота основного резонанса ле- жит за пределами рабочей полосы, то демпфирование их подвижной системы не столь существенно. Поэтому звуковые катушки этих громкоговорителей можно соеди- нять последовательно; при этом потребуется меньшая разделительная емкость, а кроме того, при таком соеди- нении обрыв цепи одного из громкоговорителей легко можно заметить на слух, так как при этом выключаются все громкоговорители. При параллельном же соединении такая неисправность будет мало заметна. Однако выбор соответствующего способа соединения громкоговорителей должен решаться в последнюю оче- редь и тогда, когда конструктор свободен в этом выборе. В 36
Рис. 10. Расположение громкогово- рителей в простой системе объемно-’ го звучания, используемой в радио- приемниках (вид сверху): 1 — ВЧ громкоговорители; 2—НЧ громкого- ворители; 3— боковые стенки ящи- ка; 4 — передняя панель ящика ервую очередь дол- жны быть подобра- ны сопротивления нагрузки ВЧ и НЧ полос усилителей так, чтобы звуко- вая мощность поров- ну распределялась между ними и чтобы было осуществлено согласование нагру* зок с усилителем. Системы объем- ного звучания. Рас* смотрим теперь осо- бенности размещения громкоговорителей в системах, создающих объемное звучание. Одно из наиболее про- стых, а потому и распространенных размещений показа, но на рис. 10. Такое размещение громкоговорителей при- нято в качестве основного варианта в наших унифици- рованных промышленных приемниках и радиолах первого класса (например «Октава», «Волга», «Комета»), но начинает использоваться и в аппаратуре второго класса (радиола «Новосибирск»). На фронтальной стороне ящика размещены два ши- рокополосных громкоговорителя одинаковой 'мощности (от 1 до 3 ва, в зависимости от мощности выходного кас- када и размеров ящика). Частоты основного резонанса их разнесены на 20—30 гц. На боковых стенках размеща- ются два высокочастотных громкоговорителя мощностью по 1 ва каждый; они подключаются к усилителю через разделительный конденсатор (1—10 мкф), ограничиваю- щий уровень низших частот, а потому могут выдержать большую мощность, чем номинальная (в диапазоне от 400—500 гц и выше). Здесь обычно применяются оваль- ные громкоговорители 1ГД-9 с более высокой частотой основного резонанса (120—180 гц), установленные большой осью диффузора вертикально. Вместо двух громкоговорителей на фронтальной сто- роне можно 'Применить « один .мощностью 5—10 ва, с достаточно нивкой частотой основного резонанса (40— 50 гц). В этом случае предпочтение следует отдать громкоговорителю с эллиптическим диффузором (напри-
мер, 5ГД-14), расположив его большой осью вертикаль- но. Для расширения полосы воспроизводимых частот и лучшей равномерности частотной характеристики жела- тельно дополнительно разместить на фронтальной сторо- не один или два малых громкоговорителя — «пищалки» (например, типа ВГД-1), включаемых в одну цепь с бо- ковыми громкоговорителями. Весьма целесообразно, ис- ходя ив конструктивных и акустических соображений, размещать .малый громкоговоритель внутри большого, как это показано на рис. 11. В аппаратуре высшего клас- са применяется большее число громкоговорителей, осо- Рис. 11. Соосное расположение двух громкоговорителей бенно высокочастотных, которые могут размещаться под любым углом к основным (фронтальным) и по обе сто- роны от них. В комнатах малого объема, обставленных большим количеством мебели, с коврами и картинами на стенах и т. п., боковые громкоговорители могут не дать нужного эффекта. В этом случае целесообразнее располагать их также на фронтальной панели (по краям), делая панель возможно длиннее (до 1,0—1,2 м). Заметный эффект объемности звучания получается при использовании дополнительных выносных громкого- ворителей, работающих в области только средних и выс- ших частот (применяются в радиоле I класса «Эсто- ния-59»). Такая система может быть осуществлена и а обычном приемнике или радиоле с достаточной мощ- ностью на выходе (5—8 вт). Подключив через раздели- тельный конденсатор два-четыре дополнительных гром- коговорителя мощностью 0,5—1 ва, укрепленных на не-
большой доске или ящике (типа абонентского громкого- ворителя для радиотрансляционных сетей), можно рас* ставить их в помещении так, что получается явный эф- фект объемности. При этом приемник или радиолу, где установлен основной громкоговоритель, лучше поместить в углу, расположив, дополнительные громкоговорители на расстоянии 1,5—2 м по обеим сторонам этого угла. Более эффективным здесь может быть отдельный акустический агрегат, оформленный в специальном ящи- ке в .виде трехгранной призмы, или хотя бы два—три громкоговорителя, расположенных на щите, приспособ- ленном для крепления в углу комнаты. Дальнейшие пути повышения качества звучания. Описанные выше способы достижения объемности зву- чания за счет (расширения характеристики направлен- ности звуковоспроизводящей системы не исключают ис- пользования и других способов улучшения качества вос- произведения и приближения звучания к натуральному. Дальнейшим шагом вперед следует считать использова- ние так называемого псевдостереофонического эффекта, который возникает при двухполосном воспроизведении, когда в одной из полос усиления вводят задержку сиг- нала по времени (сдвиг фазы). Длительность задержки в такой системе можно регулировать, и ее устанавлива- ют в зависимости от акустических свойств помещения, где прослушивается передача, а также от рода музыкально- го произведения. Осуществить временную фазовую за- держку можно как в усилительном устройстве, так и в акустической части системы. Заметим, что временные (фазовые) сдвиги получают- ся и при совместной работе диффузорных и рупорных громкоговорителей, когда последние применяются для воспроизведения только средних и высших частот («пи- щалки»). Для лучшего подбора нужного времени задерж. ки и достижения хорошего эффекта желательно совме- стное применение обоих способов. Следует оговорить, однако, что все преимущества но- вых приемников и радиол и их акустических систем ска- зываются главным образом при прослушивании УКВ станций с частотной модуляцией и при проигрывании высококачественных долгоиграющих пластинок. В на- стольных радиолах невозможно использовать полную мощность при проигрывании пластинок ввиду самовоз- 89
Суждения системы на низших частотах. Для исключения этого в'настольных радиолах низшую частоту пришлось ограничить 60 гц. При этом оптимальные частоты ос- новного резонанса низкочастотных громкоговорителей оказались равными 70 гц для одного и 90 гц для дру- гого. Высококачественное и громкое звучание, особенно при воспроизведении грамзаписей, достигается в кон- сольных приемниках и радиолах. Большой объем ящика, помимо улучшения воспроизведения низших частот, по- зволяет также отделить акустическую часть от приемо- усилительной, что, в свою очередь, значительно ослабля- ет, а при дополнительной и хорошо выполненной амор- тизации некоторых ламп и деталей (двигатель проигры- вателя, конденсатор переменной емкости и т. п.) даже совсем исключает так называемый микрофонный эффект. В акустической же части, которой обычно отводится нижнее отделение тумбы радиолы или приемника, пред- ставляется возможность рационального размещения ше- сти-восьми громкоговорителей. Поэтому консольные ра- диолы способны воспроизводить полосу частот в преде- лах 40—15 000 гц с неравномерностью порядка 9 дб и развивать номинальное среднее звуковое давление до 35 дин/см2. Кроме того, габариты ящика позволяют раз- нести громкоговорители отдельных каналов, что дает впечатление некоторой локализации отдельных групп инструментов, создающей эффект псевдостереофонии при воспроизведении симфонической и камерной музыки. Оформляются консольные приемники и радиолы в виде мебели современного стиля, с тщательной отделкой и полировкой. Еще лучшие показатели, а следовательно, и качество звучания достигаются в трехполосной системе, в которой низкочастотная часть воспроизводит полосу от 40 до 500— 1000 гц, среднечастотная — от 300—400 гц до 7—8 кгц и высокочастотная—от 4—5 до 18—20 кгц. Такая система может подключаться к двухканальному усилителю с ча- стотой разделения 300—400 гц, причем выделение высо- кочастотной полосы осуществляется во втором каналес •помощью разделительной емкости. Один из вариантов такого включения показан на рис. 12 (на‘схеме каждая соответственно подобранная, параллельно или последо- вательно включенная группа показана в виде одного Э0
громкоговорителя). Бо- лее эффективной, но, конечно, и более слож- ной и громоздкой сле- дует считать систему с тремя раздельными вы- ходными каскадами для каждой рабочей полосы. За рубежом трех- 'полосные' агрегаты ча- сто выполняются в ви- де единой конструкции Рис. 12. Схема включения громко- говорителей в трехполосной системе Рис. 13. Конструкция современного трехполосного громкоговорителя: / — низкочастотный диф ^узорный громкоговоритель; 2 — рупорный громкоговоритель на средние часто- ты; 3 — высокочастотная рупорная «пищалка» с соосным расположе- нием громкоговорите- лей (рис. 13). Широко* распространено также размещение громкого- ворителей в специаль- ных ящиках и фазоин- верторах, причем ра- бочие оси громкогово- рителей бывают разне- сены. Как в первом, так и во втором случа- ях для воспроизведе- ния высших ча- стот чаще всего ис- пользуются рупорные «пищалки» со специ- альным многоячейко- вым рупором или аку- стической линзой. В трехполосной системе особо высокие требо- вания предъявляются к низкочастотному громкоговорителю, ко- торый должен иметь очень низкую частоту собственного резонаса (20 гц и ниже), т. е. большой и массивный диффузор с гибким подвесом (гофр и центрирующая шайба), допускающим большие амплитуды колебаний без искажения их фор- 40
мы. Кроме того, необходимо хорошее демпфирование подвижной системы. Однако наибольшее приближение к натуральному зву- чанию может быть достигнуто в стереофонических си- стемах, где полное разделение тракта передачи на два и более каналов начинается с микрофонных цепей. Этим системам посвящается последний раздел брошюры. АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ Акустические экраны (щиты) и ящики. Акустиче- ское оформление громкоговорителя, как мы уже отмеча- ли; оказывает большое влияние на эффективность вос- произведения низших частот. Ранее уже была показана необходимость применения акустических экранов, кото- рые при воспроизведении низких частот должны иметь весьма большие размеры (при низшей воспроизводимой частоте — 50 гц сторона d — 340 см). При этом следует иметь в виду,что в случае исполь- зования акустического экрана, размеры которого малы по сравнению с длиной волны, звуковая мощность, излу- чаемая громкоговорителем выше его основной резонанс- ной частоты, увеличивается на 6 дб на октаву *. Поэтому при неизменных раз- мерах экрана всег- да выгодно для по- вышения отдачи на самых низких часто- тах применять гром- коговоритель с бо- лее низкой резонанс- ной частотой. Для получения вполне удовлетворительных результатов можно воспользоваться щи- том со стороной, вы- бираемой по кривой рис. 14. Рис. 14. График для определения размеров акустического экрана Октава—частотный интервал, объединяющий 12 полутонов, из которых первый и последний всегда одного названия. Отноше- ние частот одноименных тонов октавы равно двум. 41
Рис. 15. Размещение громкоговорите- ля: а — на экране с расчетным разме- ром d; б — в ящике с эквивалентным размером d = а -)- 2в Неудобства, вы- вванные громозд- костью акустическо- го жрана, привели к тому, что громко- говорители стали помещать в ящиках с открытой задней стенкой (ящик ра- диоприемника). Та- кой ящик эквива- лентен плоскому акустическому экра- ну со стороной d= = а4-2в (рис. 15) при а, равной 0,125 длины волны, соот- ветствующей самой низкой из воспро- изводимых частот. Громкоговорители могут устанавливаться и в ящи- ках с закрытой задней стенкой. Закрытая задняя стенка позволяет, казалось бы, улучшить воспроизведение низ- ших частот, так как при использовании такого ящика иск- лючается влияние излучения задней стороны диффузо- ра. Однако это не так. Упругость находящегося в ящи- ке объема воздуха, особенно если этот объем не слиш- ком велик (меньше 2—3 л3), суммируется с упруго- стью подвижной системы громкоговорителя и повыша- ет его основную резонансную частоту, что ухудшает отдачу на низших частотах. Кроме того, замкнутый объем воздуха вызывает дополнительные резонансные явления на более высоких частотах, ухудшающие рав- номерность частотной характеристики громкоговорите- ля. Для устранения дополнительных резонансов, созда- ваемых воздушным объемом ящика, внутренние по- верхности ящика покрываются звукопоглощающим ма- териалом (пористым). Представление о влиянии задней стенки ящика на частотную характеристику громкоговорителя в области низших частот дает рис. 16. Здесь изображены две ча- стотные характеристики одного и того же громкоговори- теля в ящике -объемом 0,025 м3: с открытой задней
1 — с открытой задней стенкой; 2— с закрытой стенкой (пунктир) * стенкой (сплошная линия) и с закрытой (пунктир). Однако, правильно выбрав размеры ящика с закры- той задней стенкой и применив звукопоглощающее по- крытие на внутренних поверхностях ящика, можно по- лучить вполне удовлетворительные результаты. Разме- ры ящика с закрытой задней стенкой рекомендуется вы- бирать в зависимости от диаметра диффузора (D, см) так, чтобы объем ящика равнялся 125D2 см3. По кривым рис. 17 можно сразу определить высоту, ширину и тлубину ящика, объем которого выбран ука- занным способом; эти размеры соответствуют так назы- ваемой «динамической симметрии». В том случае, если в ящике устанавливаются два громкоговорителя, расчет размеров ящика производит- ся по эквйвалентному диаметру диффузора D 9 = =Упри одинаковых диаметрах диффузоров громкоговорителей D9 = 1.41 Di. Мы уже отмечали важность демпфирования громко- говорителя и говорили о том, как демпфирование отра- жается на качестве звуковоспроизведения. Существует * Для зтого рисунка, так же как и для рис. 17, 21, 22, 23, 24, использованы данные из книги М. Rettinger «Practice! electroacoustics».
Рнс. 17. Кривые для расчета размеров ящика с закрыв той задней стенкой в зависимости от диаметра диффу- зора: а— высота; б — ширина; в — глубина ящика еще один способ акустического демпфирования громко- говорителя, используемый в ящиках с закрытой задней стенкой. Этот способ демпфирования является самым эффективным средн других, хотя его не всегда можно использовать. Акустическим он называется пото- му, что связан с излучением звука. Демпфирование осу- ществляется в этом случае с помощью пористого звуко- поглощающего материала, вносящего активное сопротив- ление, т. е. потери в слой воздуха, колеблющийся вместе с диффузором. Таким образом, через колеблющийся воздух затухание в>водится во все звенья механико-аку- стической системы громкоговорителя. 44
Громкоговоритель при акустическом демпфирова- нии* устанавливается в закрытом ящике, заполненном обычной хлопчатобумажной, .минеральной или стеклян- ной ватой. Ею заполняется весь объем ящика, вплоть до громкоговорителя, причем во избежание касания ва- той диффузора на держатель диффузора накладывается металлическая сетка с ячейками размером 3—4 мм. Плотность заполнения ватой зависит от ее пористости и особенностей ящика и громкоговорителя. Такой срав- нительно-простой способ акустического демпфирования одинаково хорошо действует от самых низких звуковых частот до частоты 4—5 кгц, т. е. охватывает самую важ- ную для звуковоспроизведения полосу частот. На более высоких звуковых частотах этот метод демпфирования оказывается малоэффективным вследствие изменения характера излучения звука диффузором и ослабления связи между громкоговорителем и поглотителем. Эффект акустического демпфирования очень наглядно иллюстрируется результатами измерений, проведенных с двумя громкоговорителями 8ГД-РРЗ {от приемника «Рига-10»), имеющими диффузор диаметром 25 см и смонтированными в закрытом ящике объемом 0,08 м3. На рис. 18,а изображена частотная характеристика громкоговорителей до заполнения ящика ватой. Отчет- ливо виден основной резонанс подвижной системы гром- коговорителя вблизи частоты 100 гц. На рис. 18,6 пока- зана частотная характеристика тех же громкоговорите- лей при использовании акустического демпфирования, т. е. после заполнения ящика ватой (в количестве око- ло 3 кг). Сопоставление обеих частотных характери- стик показывает, что демпфирование громкоговорителей резко снизило все резонансные явления, причем подав- ление основного резонанса понизило звуковое давление, развиваемое громкоговорителями на частоте основного резонанса, на 15 дб. Завал нижних частот представляет собой «плату» за улучшение переходных характеристик громкоговорите- ля, тдк как для компенсации этого завала требуется соответствующий подъем низших частот в усилителе, что, очевидно, не составляет больших трудностей. Сглаживание частотной характеристики громкогово- * Разработав С. Т. Тер-Осипянцем. 4»
Рис. 18. Частотные характеристики громкоговорителей: а — в ящике без акустического демпфирования; б — т же с демпфированием ригеля, как уже было показано, означает улучшение пе- реходных характеристик. На рис. 19 приводятся осцил- лограммы звуковых сигналов при воспроизведении громкоговорителями прямоугольных импульсов с пе- риодом 40 мсек, дополненных звуковыми частотами 150 и 1700 гц. Осциллограммы слева относятся к гром- коговорителям до заполнения ящика ватой, правые ос- циллограммы — после заполнения. Эти осциллограммы весьма убедительно показывают высокую эффективность акустического демпфирования, особенно вблизи частоты основного резонанса и на некоторых отдельных частотах. Следует особо отметить большую ценность акусти- ческого демпфирования в громкоговорителях, используе- мых для местного звукоусиления. Равномерная частот- ная характеристика таких громкоговорителей позволяет повысить среднюю интенсивность звука без опасения появления акустической генерации, возникающей легче всего на резонансных частотах. 46
Рис. 19. Воспроизведение громкоговорителем прямоуголь- ных импульсов с различной частотой: а—150 гц; б — 1700 гц (слева—в ящике без акустического демпфирова- ния; справа — то же с демпфированием) Из вышеизложенного следует,, что акустическое демпфирование одинаково эффективно подавляет ре- зонансные явления как самого громкоговорителя, так и ящика (воздушного объема и стенок). Сорт ваты не имеет существенного значения, однако обычная хлопча- тобумажная вата обладает горючестью и в этом ее основной недостаток, хотя возможность возгорания ваты в таком закрытом ящике весьма мала. При употреблении минеральной ваты или ваты из стекловолокна следует иметь в виду, что заполнять ею ящик голыми руками нельзя. Во избежание весьма бо- лезненный порезов |рук при заполнении ящика ватой не- обходимо надеть перчатки. Акустическое демпфирование не может быть приме- нено,'однако, если громкоговоритель размещен в ящи- ке вместе с остальной аппаратурой или когда объем ящика менее 0,05 м3, так как количество ваты, кото- рое можно вложить в ящик, будет в этом случае недо- статочным. Фазоннверторы. Разновидностью закрытого ящика является так называемый фазоинвертор, получивший ♦Г
значительное распространение в последние поды. Фа зоинвертор представляет собой закрытый ящик, имею- щий обычно вблизи громкоговорителя отверстие, при- близительно равное площади диффузора. Фазоиивертор дает возможность использования излучения задней сто- роны диффузора для увеличения отдачи на низших ча- стотах. Принцип действия фазоинвертора прост: диф- фузор громкоговорителя связан через упругость воз- душного объема ящика с массой воздуха в отверстии; эта масса ведет себя подобно диффузору, являясь до- полнительным излучателем звука (вторым диффузо- ром). При правильном выборе площади отверстия, про- изводимом в соответствии с объемом ящика, фаза ко- лебаний массы воздуха в отверстии будет совпадать по фазе с колебаниями массы воздуха у передней стороны диффузора, вследствие чего колебания сложатся и отда- ча звуковой энергии возрастет. Упругость воздушного объема и масса воздуха в отверстии фазоинвертора об- разуют резонансную систему Рис. 20. Фазоиивертор с регули- руемой площадью отверстия (площадь отверстия делается на 15—20% больше эффектив- ной площади диффузора громко- говорителя): 1 — ящик; 2 —гром- коговоритель; 3 — винты крепле- ния громкоговорителя; 4 — штор- ка, позволяющая регулировать площадь отверстия; 5 — зажим, закрепляющий шторку (резонатор Гельмгольца), собственная частота ко- торой должна быть рав- ной или ниже основной 'резонансной частоты громкоговорителя. На- стройку ящика в резо- нанс удобно производить изменением площади от- верстия с помощью по- движной шторки (рис. 20), с тем чтобы полу- чить два пика на кри- вой зависимости полного внутреннего сопротивле- ния громкоговорителя от частоты, как это показа- но на рис. 21. Влияние фазоинвер- тора на частотную ха- рактеристику громкого- ворителя по сравнению с обычным закрытым ящиком того же объема иллюстрируется рис. 22. 48
Рис. 22. Частотные характеристики громкогово- рителя в фазоинверторе: / —с открытым отвер- стием; 2 — с закрытым отверстием Выбирая размеры ящика, обычно идут на некоторый компромисс между требованиями равномерности ча- стотной характеристики, хорошего внешнего вида и приемлемых размеров. Наивыгоднейший объем ящика 49
фазоинвертора связан с радиусом диффузора громко- говорителя соотношением [/=12800 /?диф, где ЯДНф — радиус диффузора громкоговорителя, сл; V — объем ящика, см3. Площадь отверстия фазоинвертора считается при- близительно равной рабочей площади, диффузора, что в действительности немного меньше площади диффузора ($ = 0,8л/?ЯИф2 = 2,5₽ЛИф2). Остальные размеры ящика можно определить по кривым, приведенным на рис. 23. Если в ящике фазоинвертора будут установлены допол- нительные диффузорные высокочастотные громкогово- рители, то их необходимо сзади прикрыть каким-либо Рис. 23. Кривые для расчета размеров ящика фазоинвер- тора в зависимости от радиуса диффузора; а — высота; б — ширина; в — глубина ящика 50
Рис. 24. Конструкция призмовидного фазоинвертора, пред- назначенного для размещения в уг- лу комнаты, принимается площади а = 23,5 Ядиф — радиус диффузора, см. и размеры Площадь отверстия равной эффективной диффузора; сторона • см< гДв жестким колпаком, чтобы предотвратить влияние на них излу- чения обратной сторо- ны низкочастотного громкоговорителя. Од- нако при этом следует учесть уменьшение внутреннего объема фазоинвертора. Ящик фазоинвер- тора не обязательно должен быть прямо- угольной формы. Ино- гда может оказаться более удобным поме- щать фазоинвертор в углу комнаты; в этом случае ему придается форма трехгранной призмы (рис. 24). Та- кая форма увеличива- ет эффективные разме- ры ящика, так как стены угла образуют своего рода большой рупор. Все это улуч- шает воспроизведение низших частот. Акусти- ческие системы, пред- назначенные для размещения в углу комнаты, могут быть смонтированы как на щите, прикрепляемом к сте- не, так и в трехгранном ящике. Если этот ящик — не фазоинвертор, то его верх должен быть открытым. На рис. 25 показан простой щит, на котором смонтирован двухполосный агрегат. Щит следует подвешивать в верхнем углу комнаты, оставив широкую щель между верхней кромкой щи га и потолком. Пространство сза- ди громкоговорителей рекомендуется заполнить звуко- поглощающим материалом. Рупоры. Распространенным акустическим элемен- том, согласующим относительно высокое полное со- противление громкоговорителя с сопротивлением иагруз- 51
Рис. 25. Конструкция и размеры щита, располагаемого в верхнем углу комнаты (размеры отверстий для громкоговорителей зависят от выбранных типов громкоговорите- лей) Рис. 26. Разрез сложен- ного прямоугольного рупора (так называемо- го лабиринта): 1— громкоговоритель; 2 — ящик; 3 — перегородка в ящике, являющаяся стороной рупора ки, создаваемым воздушной средой, является рупор. Правильно сконструированный рупор повышает сопро- тивление излучения и отдачу громкоговорителя в отно- сительно широком диапазоне частот. Однако эффективный рупор для воспроизведения до- статочно низких звуковых частот должен быть значи- тельных размеров, что и является главным недостатком этого вида акустического оформления. Поэтому рупоры в последнее время стали применять преимущественно в уличных громкоговорителях, которые не должны вос- производить низшие частоты. Рупор чаще всего при- меняют в сложенном (согнутом) виде, когда одна его часть помещается в другой, как, например, это сделано в громкоговорителе Р-10 («колокольчик»). Некоторое распространение получила конструкция сложенного рупора, показанная на рис. 26. В настоящее время рупорные громкоговорители на- ходят особо широкое применение в качестве высокоча- стотных звеньев («пищало®») в двух- и трехполосных агрегатах, так как при воспроизведении высших частот ю
длина рупора и размеры .всего громкоговорителя стано- вятся небольшими. При этом легкая подвижная систе- ма рупорного громкоговорителя будет весьма эффектив- но работать в области средних и высших частот. Недо- статком рупорных громкоговорителей является острая характеристика направленности. Однако, .приняв неко- торые специальные кон- структивные меры, эту ха- рактеристику можно рас- ширить в нужных пределах. Одно из. таких реше- ний — использование мно- гоячеечного рупора, пред- ставляющего собой сово- купность нескольких экспо- ненциальных рупоров оди- Рис. 27. Миогоячеечный сфе- рический рупор пакового размера, выход- ные отверстия (устья) ко- торых, соприкасаясь смеж- ными краями друг с другом, образуют многогран- ную (почти сферическую) поверхность (рис. 27). Многоячеечный рупор имеет достаточно широкую ха- рактеристику направленности в рабочей полосе частот. Угол диаграммы направленности здесь практически не зависит от частоты, так как он определяется простран- ственным расположением отдельных рупоров, хотя на- правленность каждого отдельного рупора повышается с частотой. Другое конструктивное решение—добавление к обычному рупору- рассеивающей насадки, работающей в качестве акустической линзы. Акустические линзы применяются для уменьшения направленности громкоговорителей на частотах выше 2—3 кгц. Принцип действия акустических линз основан (как и в оптических линзах) на изменении скорости распро- странения волн и использовании различия длины путей волн, проходящих через линзу в центре и на периферии. Изменение длины пути волн, а также скорости волн в акустической линзе обеспечивается наклонными кана- лами или щелями, удлиняющими цуть звуковой волны, создаваемой громкоговорителем. Рупор, подобно фильтру высоких частот, обладает в
зависимости от размеров .низшей частотой воспроизведе- ния, называемой критической частотой. Площадь попе- речного сечения рупора (S) изменяется для наиболее эффективного экспоненциального рупора по закону: s = SQemx. Здесь S — площадь поперечного сечения рупора на расстоянии х от входного (узкого) отвер- стия; So — площадь входного отверстия (где х — о); т — коэффициент расширения рупора, который выражается равенством: т — — 15 с Хн ’ где /н — нижняя воспроизводимая частота; %н — длина волны» соответствующая /н г с — скорость звука — 340 м/сек. На рис. 28 .показана зависимость коэффициента рас- ширения (т) от нижней воспроизводимой частоты ()н ). Из этой кривой можно видеть, что чем меньше нижняя воспроизводимая частота, тем медленнее должен расши- ряться рупор. Рис. 28. Зависимость коэффициента расширения (т) экспоненциального ру- пора от нижней воспроизводимой ча- стоты (/и) 54
На практике часто используют рупор и прямоуголь- ного сечения (рис. 29), причем такой длины, чтобы пе- риметр его выходного, (большого) отверстия равнялся длине волны .нижней частоты: 2 (а-(-б)=Лн. Выведем расчетную формулу для определения пол- Рис. 29. Экспоненциальный рупор прямоуголь- ного сечения: а и б — ширина и высота выходного отвер- стия рупора; х — длина рупора ной длины рупора (х). Взяв известное уже выражение площади поперечного сечения я- = етх, прологарифмируем его и получим: 2,31g10-5- = тх. Оо Из этого выражения, подставив значение т, можно определить полную длину рупора: х = ^-~ 1е — = - (см) Х 4«Л, ,g$o /и «V"9* В качестве примера укажем, что рупор для нижней частоты 70 гц, у которого площадь входного отверстия 625 см2 (25X25 см), должен иметь лолную длину 1,23 м. Следует отметить, что сложенный рупор, как пока- зали практические испытания, хуже воспроизводит верхние частоты из-за потерь при отражении звука на изгибах рупора. ДЛя защиты рупорного громкоговори- теля от перегрузок и устранения искажений в области частот ниже граничной частоты рупора. рекомендуется включать фильтр высоких частот, отрезающий частоты ниже граничной частоты оупооа. 56
Материал для ящиков акустических систем. Изготов- лять ящики и щиты для акустических систем обычно рекомендуется из деревянных панелей толщиной 12— 15 мм; хорошим материалом 'служит фанера. Стенки ящика должны быть плотно подогнаны , и хорошо скре- плены (склеены) между собой. Это необходимо для то- го, чтобы при работе громкоговорителя, смонтированно- го в ящике или на щите, не возникали вибрации на ре- зонансных частотах панелей (стенок ящика). Эти ви- брации порождают звуки, искажающие основной сигнал. Средством борьбы с вибрациями панелей, исполь- зуемых для акустического оформления, является уве- личение жесткости последних дополнительными «реб- рами жесткости» (планками) или утолщение (утяжеле- ние) панелей. Однако простое увеличение жесткости лишь повышает резонансные частоты панелей и меня- ет характер их вибраций и излучения, гак как изменяет- ся число вибрирующих поверхностей и их размеры. Утол- щение панелей, кроме того, увеличивает вес и стоимость оформления. Наилучший эффект дает применение па- нелей из материала с повышенным декрементом зату- хания, параметром, характеризующим внутренние по- тери энергии в материале при его деформации (растя- жении или сжатии). Практически представление о пригодности .материа- ла можно получить, если, держа панель на весу за один угол, ударить по ней суставом пальца или куском де- рева; долгий звонкий звук после удара говорит о ма- лом коэффициенте затухания, в то время как короткий, глухой звук указывает ^а значительные внутренние потери в материале. Фанера является наиболее подхо- дящим материалом для панелей. Еще более подходя- щим материалом являются древесно-волокнистые пли; ты. иногда называемые сухой штукатуркой. При ис- пользовании этого материала для акустического офор- мления наружные поверхности панели можно оклеить Тонкой фанерой из ценных пород дерева. Самым простым средством для повышения затуха- ния панелей акустического оформления является на- несение покрытия, обладающего повышенным декремен- том затухания, на панель, изготовленную из любого материала, вплоть до алюминия или стали. Такое по- крытие, называемое вибродемпфирующим, превращает
часть колебательной энергии в тепло и понижает ам- плитуду колебаний панели, увеличивая ее механическое сопротивление. Поэтому вибропоглощающее покрытие должно, кроме повышенного декремента затухания ко- лебаний, иметь и высокий модуль упругости, опреде- ляющий долю колебательной энергии, обращаемую в тепло. Вибропоглощающим покрытием может служить ши- роко распространенный кровельный материал—руберо- ид. Последний двумя-тремя слоями наклеивается на панель обычным резиновым клеем или клеем № 88. Бо- лее удобными для нанесения в качестве покрытия явля- ются употребляемые в автомобильной промышленности так называемые противошумные мастики № 579 и 580, выпускаемые Ярославским и Челябинским лакокрасоч- ными заводами. Эти мастики делаются на битумной основе и нано- сятся на панель жесткой кистью нли лопаточкой. Зат- вердевают они при комнатной температуре. Толщина покрытия должна быть 2—4 мм. Следует иметь в виду, что применение вибропоглощающего покрытия позво- ляет употреблять в 2—2,5 раза более тонкие деревян- ные или металлические панели без опасности увеличе- ния ид вибраций. Необходимо также указать, что для вибропогло- щающего покрытия непригодны такие широко распро- страненные материалы, как резина или войлок, потому что они, имея удовлетворительный декремент затуха- ния, обладают недостаточным модулем упругости. В заключение отметим, что нанесение вибропогло- щающих покрытий может быть полезным не только в ящиках и щитах акустического оформления громкогово- рителей, но и во многих других случаях борьбы с вибра- циями, например для ослабления вибраций панели грам- проигрывателя, на которой установлены электродвига- тель и звукосниматель. ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ И ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Примером высококачественных звуковоспроизводя- щих систем могут служить выпускаемые промышлен- ностью кинотеатральные громкоговорители и агрегаты. 57
Рис, 30, Внешний вид агрегата 30А-9АМ Правда, оии весьма дороги и громоздки, но обладают высокими техническими и эксплуатационными показате- лями. Представление о такой высококачественной си- стеме может дать агрегат 30А-9АМ, входящий в ком- плект звуковоспроизводящей четырежанальной стерео- фонической аппаратуры КЗВТ-4. Этот агрегат состоит из мощного низкочастотного и двух высокочастотных громкоговорителей. Высокочастотные громкоговорители размещены на низкочастотном и смещены один по от- ношению к другому по вертикали и раздвинуты по гори- зонтали (рис. 30). Каждый из высокочастотных громко- говорителей имеет поворотное приспособление, позво- ляющее изменять угол наклона рупора. Высокочастот- ный громкоговоритель содержит две головки 1А-43А, присоединенные с помощью V-образной горловины к не- большому металлическому рупору прямоугольного сече- ния, имеющему критическую частоту 260 гц. Выходное отверстие рупора соединено с акустической линзой, ко- торая расширяет характеристику направленности рупо- ра в горизонтальной плоскости. Акустическая лин- за состоит из 14 пла- стин, расположенных под разными углами к оси рупора. Низкоча- стотный громкоговори- тель состоит из четы- рех головок 2А-9, сое- диненных с коротким (направляющим) экс- поненциальным рупо- ром прямоугольного сечения, который вме- сте с головками уста- новлен в ящике тра- пециевидной формы. Сверху и снизу рупора имеются два фазоин- версных отверстия, а к его выходному отвер- стию с двух сторон приставлены щиты. '58
Такая конструкция ящика увеличивает на 3—5 дб от- дачу на частотах ниже 100 гц. Двухполосный агрегат 30А-9АМ имеет следующие электроакустические данные: потребляемая мощность— ВО вт; полоса воспроизводимых частот 40—10 000 гц при неравномерности + 6 дб-, угол характеристики .направлен- ности: >в горизонтальной плоскости в пределах+ 50°, в вертикальной—в пределах'+30°. Габарите: агрегата 210X300XH30 см. Низкочастотные головки типа 2А-9 имеют постоянные магниты, высокочастотны г головки — обмотки возбуждения. Акустические системы, которыми оснащается веща- тельная радиоаппаратура (приемники, радиолы, телеви- зоры и т. п.), отличаются от кинотеатральных тем, что они обычно входят в единый конструктивный комплекс с радиоэлектрической частью устройства. Кроме того, стремление по возможности удешевить стоимость веща- тельной аппаратуры накладывает свой отпечаток и на конструкции акустических систем. Однако у радиовеща- тельной аппаратуры высшего класса качественные по- казатели весьма высоки. Эта аппаратура отличается также тщательно и художественно выполненным внеш- ним оформлением. Примером высококачественной аппаратуры может служить консольная радиола «Кристалл». Ее акустиче- ская система состоит из двух низкочастотных громкого- ворителей типа 4ГД^1, смонтированных на передней па- нели, и ореднечастотного громкоговорителя ЗГД-7, ус- тановленного в верхней части передней панели вместе с двумя высокочастотными громкоговорителями ВГД-1. Два громкоговорителя ВГД-1 или 1 ГД-9, установленные на боковых стенках ящика, воспроизводят средние и высшие частоты. Размещение громкоговорителей в ра- диоле «Кристалл» показано на рис. 31. Акустическая система радиолы обладает высокими показателями: диапазон воспроизводимых частот 30—18000 гц; частот- ная характеристика усилителя имеет подъем на край- них частотах диапазона на 6—8 дб; повышение отдачи на низших и высших частотах обеспечивает более глу- бокую регулировку тембра; характеристика направлен- ности радиолы в горизонтальной плоскости имеет вид окружности почти до самых высоких частот. В некоторых консольных радиолах и телевизорах для 59
Рис. 31. Расположение громкоговорите- лей в акустической системе радиолы «Кристалл» акустических систем отводится нижняя часть ящика с ма- лой высотой и боль- шой шириной. & связи с такой кон- фигурацией, для устранения нежела- тельного резонанса (воздушного объема, низко ч а стопные! громко говорители устанавливаются а этих радиолах и те- левизорах не на пе- редней панели ящи- ка, а на некотором расстоянии от нее. На рис. 32 показа- но расположение различных типов гром коговорителей одной из консоль- ных радиол. В ряде 'случаев для улуч- шения воспроизведения низших частот один из низко- частотных громкоговорителей устанавливается на дне ящика. Дальнейшее (повышение качества звуковоспроизве- дения и приближение к естественному звучанию может Рис. 32. Расположение громкоговорите- лей в одной из высококачественных радиол «0
быть получено при использовании трехканальной рас- пределенной системы, которая устанавливается отдель- но от радиоприемника или телевизора. Подобная си- стема, разработанная в Ленинградском институте ра- диовещательного приема и акустики им. А. С. Попова, состоит из низкочастотной, среднечастотной и высоко- частотной групп. Низкочастотная группа, воспроизво- дящая полосу частот от 40 до 500 гц, состоит из двух громкоговорителей 4ГД-1, установленных в закрытом ящике, внутренние стенки которого обиты ватой. Ящик имеет вид треугольной призмы и устанавливается в уг- лу комнаты, что улучшает воспроизведение низших ча- стот. Размеры его фронтальной панели 700X350 мм, угол между стенками 60°. Для воспроизведения средних частот (от 300 до 8000 гц) используется громкоговори- тель 5ГД14, в котором снят высокочастотный конус. Громкоговоритель установлен в ящике, имеющем форму неправильной треугольной призмы с размерами передней панели 230X270 мм и углом между стенками, рав- ным 45°. Этот ящик также закрытый, .вследствие чего основ- ная резонансная частота громкоговорителя повышается до 300 гц. Высокочастотная группа состоит из двух гром- коговорителей ВГД1 или 1ГД9, каждый из которых по- мещен в закрытый ящик, также имеющий форму непра- вильной треугольной призмы с размерами передней панели 120Х XI50 мм и углом между стенками, рав- ным 45°. Высокоча- стотные громкоговори- тели воспроизводят по- лосу частот от 5000 до 18 000 гц. Среднеча- стотный громкогово- ритель помещается на стене, на расстоянии 3—4 м от низкочастот- ного; высокочастотные громкоговорители по- мешаются на боковых стенах комнаты на Рис. 33. Расположение громкогово- рителей в выносной распределенной трехполосной системе звуковоспро- изведения: / — приемо-усилительная часть; 2— низкочастотная группа; 9 — средне- частотная группа: 4 — высокочастот- ная группа громкоговорителей 01
расстоянии 4 л от стены, на которой-расположен сред- нечастотный громкоговоритель. Представление о распо- ложении громкоговорителей дает рис. 33. Эта система предназначается для озвучания достаточно больших по- мещений. Распределенная система вынесенных гром- коговорителей воспроизводит полосу частот от 40 до 18 000 гц при незначительных интермодуляционных и других искажениях. В некоторых любительских конструкциях акустиче- ских агрегатов также удалось достичь весьма высоких качественных показателей. Здесь мы приводим описа- ние двух любительских конструкций, последняя из ко- торых экспонировалась в 1959 г. на XVI Всесоюзной выставке радиолюбительского творчества. В этой аку- стической системе был использован совершенно новый по принципу работы высокочастотный громкоговори- тель — ионофон. Простой по устройству высококачественный двухпо- лосщый акустический агрегат разработан радиолюби- телями Ю. Хабаровым и Б. Хохловым (см. «Радио»» 1959 г., Na 1, стр. 41). Этот агрегат представляет собой фазоинвертор, сделанный из фанеры толщиной 16 мм* и предназначенный для установки в углу комнаты. Обе задние, верхняя и нижняя, стенки ящика покрываются с целью звукопоглощения толстым (15—20 мм) слоем строительного войлока или стекловолокна. Конструкция и размеры ящика показаны на рис. 34. Низкочастотные- громкоговорители 5ГД10 и эллиптический 5ГД14 уста- новлены на передней панели фазоинвертора. Три вы- сокочастотных громкоговорителя 1ГД9, имеющие ча- стоту резонанса подвижной системы порядка 150— 180 гц, установлены в отдельной секции в верхней ча- сти ящика: один в середине и два по бокам. Такое рас- положение высокочастотных громкоговорителей обеспе- чивает более широкую характеристику направленности. Агрегат рассчитан на работу от двухполосного усили- теля с рабочей полосой частот от 40 до 12 000 гц\ мощ- ность низкочастотного усилителя —1 порядка 10 вт, вы- сокочастотного— 5 вт; частоты разделения—в преде- лах 800—4000 гц. * Можно склеить из двух или трех слоев более тонких фанер-- ных листов или использовать материал меньшей толщины с вибро- демпфирующим покрытием (см. стр. 56—57). 62
Рис, 34. Конструкция и размеры ящика Двухполос- ного акустического агрегата Звуковоспроизводящий агрегат с ионофоном, разра- ботанный и выполненный группой ленинградских (ра- диолюбителей,— Е. Плоткиным, Б. Каратеевым к В. (Прюту (см. «Радио», 1959 г., № 12, стр. 18—22), представляет собой трехполосную акустическую систе- му. Низкочастотная полоса (30—700 гц) воспроизво- дится одним диффузорным громкоговорителем ЮГД-4Б; в среднечастотной полосе (700—5000 гц) ра- ботают два громкоговорителя 4ГД-1 и высокочастотная полоса (от 5 до. 18—20 кгц и выше) воспроизводится с помощью ионофона. Размещение громкоговорителей по- казано на рис. 35. Весь агрегат помещен в деревянный ящик консольной конструкции размером 125X70X50 см. Работа ионофона основана на использовании термоион- ного излучения, образующегося в результате коронного разряда в газе (в том числе в воздухе), которое, будучи 63.
Рис. 35. Трехполосный акустиче- ский агрегат с ионофоном: / — громкоговоритель 10ГД-4Б; 2 — громкоговорители 4ГД-1; 3 — ионофон промодулировано звуко- вой частотой, может слу- жить источником звуко- вых колебаний. Ионофон состоит из квар-цевой трубки особой формы, внутри которой помещен коронирующий электрод, который через высоко- вольтный трансформатор (трансформатор Тесла) подключается к доста- точно мощному модуля- тору (лампа ГУ-32), ра- ботающему на частоте 31,5 Мгц и собранному то схеме анодной моду- ляции. Глубина модуля- ции достигает 20—30%. Особенность конструкции ионофона заключается в отсутствии каких-либо механических деталей, служащих для преобразования электрических колебаний в звуковые. Этим достигается практическая безынерционность системы, не имеющей собственных резонансных частот, а потому позволяю- щей воспроизводить без искажений частотный диапазон до 20 и более килогерц. В ионофоне осуществляется прямое преобразование электрической энергии в колеба- ния ионизированных молекул воздуха. Для эффективной передачи колебаний в окружающую среду в ионофоне используется небольшой экспоненциальный рупор, соч- лененный с кварцевой трубкой и имеющий критическую частоту порядка 2000 гц. Электрическая часть низкочастотной и ореднечастот- ной полос установки состоит' из усилителя мощностью 10 вт с рабочей полосой 30—5000 гц п.ри неравномер- ности «е более 2 дб и нелинейных искажениях менее 2%. Разделение полосы на низкочастотную и среднеча- стотную (частота деления 700 гц) осуществляется фильтрами после выходного трансформатора. Напряже- ние низкой частоты на модулятор ионофона подается с выхода обычного по схеме двухтактного усилителя с ра- 64
бочей полосой 5—20 кгц при неравномерности порядка 1,5 дб и .нелинейных искажениях менее 2% во всем (диа- пазоне. Питание установки осуществляется ют двух выпрями- телей, собранных на диодах ДГЦ-27 и рассчитанных на выходное напряжение 340 и 510 в. Вся электрическая часть вместе с ионофоном размещается в отдельном от- секе в верхней части радиолы. Трудности изготовления самого ионофона н необходимость иметь для его пита- ния .мощную и сложную по схеме электрическую часть полностью окупаются чрезвычайно высоким качеством звуковоспроизведения, мало отличающимся от естест- венного звучания. ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ Современная техника записи и воспроизведения зву- ка уже достигла уровня, необходимого для осуществле- ния стереофонических систем, обеспечивающих наиболее высокую верность воспроизведения и их широкое прак- тическое применение. Разрабатываются и осуществляют- ся весьма эффективные системы двухканального стерео- фонического ЧМ радиовещания на УКВ диапазоне. Уже осуществлены и внедрены четырехканальные стереофо- нические системы в широкоэкранном кино и девятика- нальные—в панорамном. В этих системах отдельные каналы предназначаются только для воспроизведения различных звуковых эффектов, с помощью которых осу- ществляется так называемый, эффект «присутствия», когда зритель становится как бы участником действия, происходящего на экране. Такие возможности заложены в .многоканальных стереофонических системах звуко- воспроизведения. Простейшие двухканальные стереофонические систе- мы не могут, конечно, претендовать на столь же высокое качество звуковоспроизведения. Однако они настолько повышают естественность звучания даже по сравнению с лучшими образцами обычной аппаратуры (высшего класса), что завоевали себе общее признание. Правильно рассчитанная, выполненная и отрегулиро- ванная стереофоническая двухканальная система позво- 65
ляет ощущать фронтальную и глубинную локализацию звука. Она улучшает также тембровое восприятие, а при •некоторых благоприятных условиях .наблюдается и эф- фект «присутствия». При сравнении качества звучания стереофонических систем с обычными монофоническими * -многие отдают предпочтение первым даже в том случае, если они обла- дают худшими акустическими показателями, например если частотная полоса ограничивается соответственно 6, а не 10 кгц. В настоящее .время разработаны двухканальные сте- реофонические системы записей на магнитной ленте и граммофонной пластинке. При этом предусмотрена воз- можность воспроизведения этих записей и на обычной аппаратуре при монофоническом звучании, отчего та- кие системы получили название совмещенных. Для сте- реофонического радиовещания разработана оригиналь- ная совмещенная система ЧМ передачи на УКВ диапа- зоне с одной несущей частотой (ом. «Радио», 1960 г., № 3). Экспериментальные передачи по этой системе уже проводятся через некоторые радиовещательные УКВ станции. Разрабатывается также и недорогой про- стой стереорадиоприемник, который может принимать и обычные станции. Внимание радиолюбителей в буду- щем, несомненно, будет обращено на конструирование всевозможных приставок и дополнительных блоков к существующим радиоприемникам, проигрывателям и магнитофонам для использования их при стереофони- ческом воспроизведении. Особенности работы акустических агрегатов в двух- канальных стереофонических системах еще недостаточ- но изучены и еще не выработано определенных .специ- фических параметров и норм для стереофонической ап- паратуры. Трудности заключаются в том, что наиболее простая двухканальная система не позволяет добиться стереофонического эффекта на всей озвучаемой площа- ди, так как для этого нужно иметь минимум три кана- ла. Поэтому в случае двухканальной системы наилуч- ший эффект можно получить только при удачном под- боре и расположении акустических агрегатов с учетом * Пояснение принципиального -различия этих систем дано на стр. 9—10
Рис. 36. Зоны заметного стереоэффекта (показаны штриховкой): а— при размещении одиночных громкоговорителей по углам комнаты; б — при системе из трех громкоговорителей в каждом канале, раз- мещенных вдоль узкой стороны комнаты и направленных в разные стороны их характеристик направленности и акустических осо- бенностей помещения, где они установлены. Акустическая система для стереофонической уста- новки может быть выполнена в виде двух выносных одинаковых агрегатов или, в простейшем случае, толь- ко двух одиночных громкоговорителей, расставленных на некотором расстоянии друг от друга, причем каче- ство звуковоспроизведения в значительной мере будет зависеть от этого расстояния, а также от ориентации громкоговорителя относительно слушателей. Влияние расположения громкоговорителей на за- метность стереофонического эффекта показано на рис. 36. При двух громкоговорителях, размещенных но углам комнаты, зона заметного стереоэффекта, изобра- женная заштрихованной площадью, весьма мала (рис. 36,а). Заметим, что на рисунке изображен наи- более неблагоприятный случай, когда комната сильно заглушена. В обычной комнате при шести громкогово- рителях (по три в каждом канале) с развернутыми в разные стороны рабочими осями создается уже значи- тельно большая зона стереофонического эффекта (рис. 36,6). Приведенный пример относится к довольно боль- шой комнате, где крайние громкоговорители разнесены на 5 м; в меньшей комнате расстояние между агрега- тами (база) может быть снижено до 2—2,5 м. Однако при площади комнаты меньше чем 12—15 ж2 стереоэф- фект почти не заметен. Вообще предпочтительней для прослушивания квадратная комната размером не менее 20—25 ж2; при этом слушатели должны размещаться «г
так, чтобы условные линии (.направления), соединяю- щие слушателя с акустическими агрегатами (или гром- коговорителями), образовывали угол в 40—60° (угол слушания). В случае совмещенной системы, в которой все или часть громкоговорителей устанавливаются в ящике приемо-усилительной аппаратуры или совмещены с другими узлами (проигрыватель, магнитофон и т. п.), база, т. е. расстояние между осями акустических си- стем, при фронтальном расположении громкоговорите- лей, работающих в разных каналах, должна быть не ме- нее 1,0—1,2 м. Таким образом ширина, занимаемая всей установкой, может доходить до 1,5—4,8 м. Если часть звуковой энергии (на частотах выше 300 гц) излучать в стороны, расположив соответствующие громкоговори- тели на боковых стенках, то стереоэффект увеличи- вается. Однако в условиях жилых помещений это мо- жет не дать нужного эффекта из-за поглощения значи- тельной части энергии при отражении. Поэтому в каж- дом отдельном случае необходим индивидуальный под- ход. Однако при базе шириной менее 1 м достичь за- метного стереоэффекта уже нельзя. В связи с этим в ряде стереофонических установок наряду с внутренни- ми громкоговорителями предусматривается подключе- ние внешних, размещаемых в зависимости от конкрет- ных условий. Саму установку с внутренними громкого- ворителями хорошо располагать в углу комнаты. Это несколько расширяет эффективную стереобазу. Акустические агрегаты, работающие в стереофониче- ских системах, не должны иметь очень широкой харак- теристики направленности, причем более короткой базе должна соответствовать и более узкая характеристика направленности. Это относится, конечно, к излучению средних и высоких частот. Низшие частоты (до 300 гц) практически, как правило, не оказывают влияния на стереоэффект; поэтому в полосе от 30—40 до 300 гц может применяться одиночный громкоговоритель, уста- новленный на фронтальной панели. Блок-схема типичной современной стереофонической установки приведена на рис. 37. Существует большое число разнообразных вариан- тов схем двухканальных усилителей низкой частоты. Сколько-нибудь подробно останавливаться на всех 6?-
нНИ'*' Рис. 37. Блок-схема современной стереофонической установки: ПУ—предварительные усилители; РФ — разделительные фильтры; ВУ— выходные усилители; НЧ, СЧ, ВЧ—громкоговорители нижних, средних и верхних частот \ вариантах -нет возможности, поэтому приведем только основные технические параметры и специфические тре- бования, которым должны удовлетворять эти усилители. Прежде всего необходимо, чтобы оба канала стерео- усилителя были одинаковыми по мощности, частотной и фазовой характеристикам, нелинейным искажениям и т. п. Различие не должно проявляться в процессе эксплуатации установки, т. е. при возможных измене- ниях уровня громкости и тембра, которые приходится регулировать во время работы. Вследствие этого все регуляторы должны быть спаренными. Для начальной установки одинаковых уровней громкости в обоих ка- налах стереоусилителя необходим особый регулятор стереобаланса, способный изменять усиление одного канала относительно другого не менее чем в 4 раза (12 дб). Коэффициент усиления в каналах практически может отличаться не более чем на 2—3 дб. Установки высшего класса обычно снабжаются индикатором сте- реобаланса. Блок-схема типового стереоусилителя изображена на рис. 38. В ней предусматривается переключение со стереофонического на монофоническое (обычное) вос- 60
произведение. Мощность выходных каскадов должна обеспечивать достаточную громкость воспроизведения при любом возможном расположении источников звука относительно микрофонов разных каналов. В наиболее неблагоприятном случае с точки зрения стереофониче- ского воспроизведения источник звука может распола- гаться вблизи одного из микрофонов. В этом случае фактически будет работать только один канал. Поэтому для подобных случаев мощность каждого канала сте- реоусилителя должна соответствовать мощности усили- теля при монофоническом прослушивании. Но такое не- благоприятное расположение источника звука относи- тельно микрофона встречается сравнительно редко, и практика показала, что мощность усилителей каждого Рис. 38. Блок-схема стереофонического усилителя, выполненного по совмещенному принципу: ПУ— предварительные усилители; ВУ— выходные усилители; ВЧ и НЧ — объединенные регуляторы темб- ра; РГ — объединенный регулятор громкости; PC — регулятор стереобаланса из двух стереофонических каналов может быть меньше, чем мощность усилителя при монофоническом воспро- изведении в 1,5 раза. В стереоустановках следует при- нимать меры для предотвращения возможного проник- новения («пролезания») сигналов из одного канала в другой. Степень такого проникновения определяется ве- личиной переходного затухания между каналами, кото- рое для сквозного канала должно быть не менее 20 дб. Особенно трудно достичь необходимою переходного за- тухания в стереофонических звукоснимателях и магни- 70
тофонмых головках, где оно обычно не превышает 30 дб. Такая же величина переходного затухания долж- на быть и в стереоусилителе. Ориентировочные технические требования, предъяв- ляемые к стереофоническим усилителям низкой часто- ты высшего и первого (классов, приведены в табл. 2. (заимствована из статьи Л. Кононовича «Стереофони- ческие усилители низкой частоты», «Радио», 1960 г.» № 1). Таблица 2 № п/п Показатель Значение показателя высший класс первый класс 1 Рассогласование мощностей ка- налов при измерении выходной мощности в пределах от номиналь- ной до 0,01 номинальной: не бо- лее ± 2 дб i 3 дб 2 Пределы регулировки стереоба- ланса: не менее ± 6 « ±6 дб 3 Наличие индикатора стереоба- ланса Обязательно — 4 Рассогласование частотных ха- рактеристик: на частотах 100—15 000 гц: не более ± 2 дб 5 » » 100—10000 гц: не более ± 3 дб Мощность каждого канала: не менее 4 вт 2 вт 6 Нелинейные искажения всего электрического тракта: на частотах до 100 гц: не более зи 5% * ♦ 100—400 гц: не более 1% 2%' > » свыше 400 гц. не более 0.5% 1% 7 Переходящее затухание между каналами (на всех частотах): не менее 30 дб 30 дб 8 Уровень фона по отношению к номинальной мощности: не более -60 дб -—50 дб В зарубежной литературе указывается на целесооб- разность включения в двухканальную стереофониче- скую систему дополнительного громкоговорителя. Он 71
Рис. 39. Схема включения дополнительного (нейтраль- ного) громкоговорителя в двухканальной стереофони- ческой системе. Rt, Rt и R3 — регуляторы уровня гром- кости дополнительного громкоговорителя Гр» является нейтральным по отношению к правому и лево- му громкоговорителям и устанавливается посередине между ними. Дополнительный громкоговоритель можно под- соединять так, как это показано на рис. 39: к выходным трансформаторам левого и правого усилительных кана- лов стереосистемы, имеющим заземленные средние точ- ки вторичных обмоток. Дополнительный громкоговоритель не требует фази- ровки; он присоединяется к трансформаторам через три переменных сопротивления (Ri, R2 и R3), которыми уста- навливается уровень его громкости. Номинальное сопро- тивление дополнительного громкоговорителя с регулиро- вочными сопротивлениями должно быть для схемы рис. -39 приблизительно 8 ом.
ЛИТЕРАТУРА i. Белкин Б. Г. Звуковая линза с переменным показателем преломления, Труды комиссии по акустике, сборник № 8, 1955. 2. Б е л к и н Б. Г. Кинотеатральный громкоговоритель с рас- сеивающей звуковой линзой, Акустический журнал, т. I, выл. 3, 1955. 3. Бераиек Л. Акустические измерения, ИЛ, М.— Л., 1952. 4. Болотников И. М. Кинотеатральные громкоговорите- ли, М., «Искусство», 1957. 5. Гензель Г. С., Мороз Л. И. Электроакустическая аппаратура, М., Речиздат, 1949. 6. Дольник А. Г. Громкоговорители, М.—Л., Госэнерго- издат, 1958. 7. Дрейзен И. Г. Курс электроакустики, М., Связьрадио- издат, 1938. 8. И о ф ф е В. К. Электроакустика, М., Связьиздат, 1954. 9. «Исследования заметности искажений в радиовещательных каналах», Информационный сборник, М., Связьиздат, 1959. 10. Красильников В. А. Звуковые волны, М.,—Л., Гос- гехиздат, 1954. 11. Олсон и Масса. Прикладная акустика, М., Радиоиз- дат, 1938. 12. Ржевкин С. Н. Слух и речь в свете современных фи- зических исследований, М. —Л., ОНТИ, 1936. 13. Фурдуев В. В. Электроакустика, М. —-Л., Гостехиздат, 1948. 14. Фурдуев В. В. Акустика звукового кинопоказа, М., Госкиноиздат, 1945. 15. Хрущев А. А. Новая система воспроизведения звука М., Госкиноиздат, 1950.
о ф о о <— _ — сл спел ьэ л л Л ЛЛ ЛЛ 23 J3 )д £з )а)я JatJ л <Ь Ф Q1H- Л to о — Тип гром- коговори- теля — — — —р о о Р ООО осл ел’ел g CD Й Номинальная мощ- ность Ш! Й Й! §1§ §§§§§§ Л> 4C Диапазон частот — — — — — — — QJ ЬЭелСО »й> О tO СЛ СЛСЛ Р О О СП оооо ОО О 1+1+1+ I+I+I+I+ 1+Н- 1+ tO 00 — — •—ьооо 00 оо GO о о ел оооо оо о Jc Основная резонан- сная ча- стота подвиж- । ной си- стемы сл X О'*1 сл 3 XX оо §i Неравномерность ча- стотной характеристики ьо ЬО 00 Юр РР tO О Сл О О© 0000 о S' % L Среднее стандартное звуковое давление 00 р Р р СЛ СЛОИ р о сл ел ело о о о 1+ 1+ 1+ +1+ 1+1+ 1+ р р р ро ор р Q0 Vj СЛ ел СЛ Q0 Полное сопро- тивление звуковой катушки Q Q QQ QQ Q 8 s i sags £ П М s 1 Габариты громкого- ворителя СЛЕ^я Ч-с СЛс Ля >8 OS *s8*>S^oS S+| ,’sSrt S^+g. S« ®e S« Sc 5* Тип магни- та и мате- риал ! 18 40 40 80 150 j 840 50 80 <\> Вес магнита M M bo to to to s Диаметр керна О ^4 ^4 елео -~4 -ч p i § § §1 |g § 8 Индукция в зазоре M Hiss 3 "I i Вес громкоговорителя X е е £ х О 5 3 л о 03 о *0 S н m Ь ш з
4* 4^ Ы со СС ЬО Iv .-f — С? С? С2 Л Г? Л’-’ J=3J=3 fa fa fa fa fa fafa rc — i ч bi c»j -г — »К КЭ Тип гром- коговори- теля 4* 4b. со со СО to К> — ►— ©© о © о © Ъ о о § Номинальная мощ- ность — ю О 00 00 00 *>1 *q ело !П Ш П! roto © Ф Ф © о ©© Oj A Диапазон частот S о § о $ 8 О 3 О S СЛ +I+I+I+ '± - ,±'±|±1±,+|± ©фО£ © ° ©СЛфСЛфСЛ Oj 43 ! Основная резонан- сная ча- стота подвиж- ной си- стемы 4*4* 4ъ СЛ 4* 4* 4*4* O\ Неравномерность ча- стотной характеристики to to JO JO CO jo to jo jo слЪ1 oi ел © со ел ел ел & % 1 Среднее стандартное звуковое давление Сл 4* Си 4* 4* Сл 4* Спел о ел © ел © о СЛ ©Ф 1+1+ 1+ 1+ 1+ 1+ 1+ 1+1+ ФО © © © © © ©Ф ел ел bi 1л о? ел ел Ъпел X W н м е| Pi Х« Q QQ Q Q Q <3 si 1 i g s XX X X X X X хх ®s s se g s 49 XX £ t Габариты громкого- ворителя от| 5е *3 ЙЕ ®« * с >go§ >gogS| >f og * ge » g4 * X« g4 g4 * X’ 1 Тип магни- та и мате- риал i to — to — co QQ Q Q Сл Oo 4^ 4^. ФФ © О © о Ф ©© А» Вес магнита gg q 8 Диаметр керна 7000 7000 7000 6500 6000 7500 7500 7500 7500 8 Индукция в зазоре g§ § g'g g § sg Cq Вес громкоговорителя
5 ®ц а S * J?S S * !» Я» »_ « , • • -»3 3 Тм гром- <оговори- теая и— »—* СК» О ОСЛ сл о О Оо о СО й Номинальная мощ- ность 50—12000 70—12000 40—8000 50—8000 800-15 000 (V X Диапазоа частот .1 g Ш! S ° ООО о -S3 2 _ W 2 X 03 * S s ы «в to зб Е ? X to х вэ . • ' X СП Ь2 С71 Неравномерность ча- стотной характеристики ьо со со ьо 00 сл о о сл о I Среднее стандартное звуковое давление СЛ 00 4* С Q СЛ СЛ Ъ1 н- 1+ 1+ 1+ 1+ о О о О О Ъ1 оо "ел V» ел § Полное сопро- тивление звуковой катушки 0252X126 254X170X100 0295X140 324X212X128 0105X64 8 Габариты громкого- ворителя Кольцевой АЛИИ Керновой АНКО-4 Кольцевой АЛИИ Кольцевой АЛИИ Керновой АНКО-4 Тип магни- та и мате- риал 700 100 700 700 65 to Вес магнита 25 25 30 30 12 SJ ( Диаметр керна 9000 7500 7500 7500 9000 8 Индукция в зазоре s 1 i § i to Вес громкоговорителя
СОДЕРЖАНИЕ Grp. Введение ........................................... 3 Звук и слух......................................... & Обеспечение высокой верности воспроизведения ... 15 Выбор громкоговорителей и особенности их работы в акустических системах.............................. 29 Акустическое оформление громкоговорителей .... 41 Высококачественные промышленные и любительские акустические системы ................................ 57 Перспективы повышения качества звуковоспроизведе- ния ................................................. 65 Литература ......................................... 73 Приложение ......................................... 74 AlVaKo 27/09/2011
ДОРОГИЕ ЧИТАТЕЛИ! ВСе замечания и пожелания по \ниге направляйте по адресу: Моск- ва, Б-66, Ново-Рязанская, 26, Изда- гельство ДОСААФ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ДОСААФ ВЫШЛИ И ПОСТУПИЛИ В ПРОДАЖУ Л ом ано вич В. А. Простые УКВ прие- мо-передающие любительские радиостанции. 96 стр., 1 р. 50 к. (с 1.1.61 г. новая цена 15 кап.). Казанский Н. В. Радиолюбительский спорт в СССР. 96 стр., 1 р. 40 к. (с 1.1.61 г. .новая цена U коп.). Матлин С. Л., Новик Г. X. Путе водитель по журналу «Радио». 272 стр.. 7 руб. (с 1.1.61 г. новая цена 70 коп.). В помощь радиолюбителю, вып. 9. 64 стр., 1 руб. (с 1.1.61 г. новая цена 10 коп.). В помощь радиолюбителю, вын. 10.80 с гр., 1 р. 20 к. (с 1.1.61 г. новая цена 12 коп.). Альбом.. Радиосхемы. 79 стр., 10 руб. (с 1.1.61 г. новая цена 1 ,руб.). Плакат. Как читать радиосхемы. I л., I р. 50 к. (с 1.1.61 г. новая цена 15 коп.). Плакат. Карманный радиоприемник. I л., 1 р. 50 к. (с 1.1.61 г. ,новая цеиа 15 кап.). ПРИОБРЕТАЙТЕ КНИГИ, АЛЬБОМЫ И ПЛАКАТЫ ИЗДАТЕЛЬСТВА ДОСААФ В КНИЖНЫХ МАГАЗИНАХ КНИГОТОРГА И «ВОЕННАЯ КНИГА». ___________________у
4. Дольник, М. Э фр у ecu ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Редактор А. А. Васильев Техн, редактор Е. С. Мухина Корректор Я. А, Мешкова Г-63844 Подписано к печати 25/Х—60 г. Изд. № 1/1903 Бум. 84Х108,/з*=в2»375 физ. п. л.®3,895 усл . п. л. Уч.-изд. л.«=3,736 Дена 1 р. 10 к. Новая цена с 111—61 г. И к. Изд-во ДОСААФ, Москва, Б-66, Ново-Рязанская ул., д. 26 Типография Изд-ва ДОСААФ, г. Тушино. Зак. 546