На вопрос нет простого и ясного ответа, но есть ряд советов, чего делать не следует. Т.е. точно известно, что приведет к ухудшению звучания, но нет четких понятий, что именно приведет к оптимальности звучания, какой вариант из возможных приведет к звучанию "наилучшему".
Вот народный сетевой 3-ламповый (!) супергетеродин "Москвич" выпуска 1949/57 гг, вид сзади. Корпус приемника пластмассовый из бакелита, единственный громкоговоритель мощностью 1,5 Вт установлен на фронтальной панели корпуса несимметрично, но вряд ли это результат строго расчета, иного варианта просто не было. Диаметр диффузора достаточно велик для приемника данного класса, остальную часть передней панели занимает шкала.
Встречаются и радиоприемники с резко несимметричным расположение громкоговорителя.
Так как лучше? Открытый сзади ящик - это модификация плоского акустического экрана (щита) прямоугольной формы, края экрана загибаются назад, образуя ящик с открытой задней стенкой; картонная съемная задняя стенка с перфорированными отверстиями препятствием для звуковых волн не является.
Считается, что степень перфорированности задней стенки (доля общей площади отверстий к площади задней стенки) порядка 0,1-0,2 вполне достаточна.
Рассмотрение экрана следует начать с экрана самой простой (круглой) формы, с расположением громкоговорителя строго по центру.
Сразу оговоримся, никто не рискнет выполнить подобное акустическое оформление, но начать рассмотрение вариантов следует с него. Для подобного щита т.н. акустическое короткое замыкание проявляется в чистой форме. Если счесть диаметр диффузора громкоговорителя несущественным в сравнении с диаметром щита (т.е. счесть громкоговоритель точечным излучателем в форме поршня), то звуковая волна от передней стороны диффузора громкоговорителя излучается в пространство вперед, а излучение задней стороны диффузора уже само по себе отличается на 180°, и вынуждено огибать щит, прежде чем излучиться вперед, и на достаточном расстоянии от щита разница в фазах двух звуковых волн определяется длиной волны и радиусом щита.
При разнице в половину длины волны и равенстве амплитуд двух волн происходит их взаимное уничтожение - на амплитудно-частотной характеристике наблюдается провал. Ниже график звукового давления в зависимости от частоты, не имеющий никакого практического значения (амплитуды волн от передней и задней части диффузора не равны, расстояние до слушателя конечно и пр.), но помогающий понять дальнейшее изложение.
Звуковое давление падает до нуля (полное акустическое короткое замыкание) на относительных частотах 0, 2, 4 и т.д., всех четных, и максимально растет на частотах 1, 3, 5 и т.д., всех нечетных, где относительная частота в герцах равна c/Dщ, где c=343 м/с (скорость звука при 20°C), а Dщ - диаметр щита в метрах. График - синяя линия.
График удручает, но не все так плохо, даже при щите круглой формы и центральном расположении громкоговорителя. Громкоговоритель обладает конечным размером, диаметр диффузора равен Dгр, и излучает одновременно всей поверхностью диффузора. Если для прикидки считать, что диффузор распадается на 2 половинки, излучающие синхронно, но разнесенные в пространстве, то, поскольку центр тяжести полукруга располагается на расстоянии 2*Dгр/(3* пи) = 0,212 диаметра круга (не щита, а диффузора!) от центра, то на некоторых частотах (меньшая из которых равна 404/Dгр), обе условные "половинки" диффузора доставляют до слушателя 2 сигнала в противофазе, и с ростом частоты будет наблюдаться уменьшение размаха между максимумами и минимумами. По факту же, поскольку громкоговоритель не является 2 точечными излучателями, как мы предположили для простоты, а "размазан" по плоскости диффузора, к слушателю на высоких частотах приходят сигналы разной фазировки, что усредняет их, уменьшая размах колебаний давления, примерно как на графике выше, красная линия.
Для распространенного 4-ваттного громкоговорителя диаметром 200 мм эта частота составляет порядка 2 кГц.
В популярном учебнике М.А. Сапожкова "Электроакустика" это отражено краткой фразой (подчеркнуто).
То, что красная линия имеет хорошие аналоги в реальном мире, следует из графика АЧХ открытой АС кубической формы (которая в сравнении с цилиндром, параллелепипедом и усеченной пирамидой более всего близка к круглому щиту), приведенного в "Бытовых акустических системах" Иофе.
Идет правильная синусоида, как и на искусственном графике, с постепенно спадающей с ростом частоты амплитудой. В глаза бросается только визуальное отличие графиков, ввиду разности представления - линейного масштаба по осям на теоретическом графике и логарифмического на реальном.
Изменив оси на теоретическом графике, получаем почти полную аналогию реальному.
Некоторым аналогом круглого щита являются сферические колонки, признаваемые лучшими по равномерности АЧХ (рисунок ниже), но требующие закрытости АС, поскольку при открытости с задней стороны проявится основной недостаток круглого экрана с центральным расположением громкоговорителя. Еще пара графиков из Иофе.
А теперь, не отходя от круглого щита, разместим громкоговоритель нецентрально, сместив его от центра в сторону периферии. Несимметричность АС скажется благоприятно на АЧХ давления, поскольку расстояние от центра диффузора до краев экрана будет уже не постоянным, равным радиусу экрана, а меняющимся от некоторого минимального до максимального.
Если сместить громкоговоритель на 1/6 диаметра щита, минимальное и максимальное расстояния до краев щита будут относиться как 1:2, с пробегом всех промежуточных значений, что размажет максимумы и минимумы по оси частот и выровняет АЧХ.
Пример круглого щита позволяет понять рекомендации по размещению громкоговорителя на более распространенных прямоугольных и (реже) квадратных щитах.
Рекомендация смещать головку при экране квадратной формы понятна - она аналогична рекомендации смещать головку на экране круглой формы, чтобы внести разброс в расстояния от головки до краев экрана, который при размещении по центру не достигает 1:2.
Что же касается экрана прямоугольной формы, то даже размещение головки по центру щита с отношением сторон 1:2, данное соотношение уже выполняется, смещение мало что добавит к полученному выигрышу.
Уточним только, отчего смещение от центра при прямоугольном экране ухудшает АХЧ. Ниже поясняющий рисунок.
На рисунке прямоугольный экран с соотношением сторон 1:2. При центральном расположении громкоговорителя (А) за счет соотношения сторон экрана соотношение минимального и максимального расстояния до краев экрана 1:2 обеспечивается с некоторым запасом; при смещении громкоговорителя от центра (в положение Б) громкоговоритель на 50 % работает как установленный по центру квадратного экрана, со всеми вытекающими последствиями, оттого смещение нежелательно, или допустимо в незначительных пределах, не доходя до положения Б.
Разумеется, все вышеперечисленное - лишь результат крайнего упрощения процессов. Но именно на простой модели удается понять лежащие в основе более сложных моделей принципы. Критерий же истины - практика, для чего на предприятиях производят замеры АЧХ в особых звукомерных камерах, что вряд ли доступно любителю.
Его удел - следование проверенным рецептам, опора на собственный опыт и общение с коллегами.
Проверим наши предположения на стандартном акустическом экране для измерения головок прямого излучения (по ГОСТ 16122-70).
Экран небольшого размера, длинная сторона даже не достигает 2 метров, да и соотношение сторон не достигает 1:2, всего 1:1,222. Экран близок по форме к квадратному, оттого расположение громкоговорителя нецентральное, вот тут и зарыта собака. При кажущемся произвольном отклонении центра громкоговорителя от центра экрана, 225 мм по горизонтали и 150 мм по вертикали, минимальное расстояние до края экрана по вертикали оказывается равным (1350/2)-150 = 525 мм, а по горизонтали (1650/2)+225 = 1050 мм. Соотношение 525/1050=0,5; т.е. 1:2 не могло оказаться случайным, это результат применения описанных выше принципов.
Вот, пожалуй и все. Остается только попробовать применить принципы для размещения громкоговорителя на экране квадратной формы 1000х1000 мм, если уж так вышло. Рисунок ниже.
Потребовав, чтобы соотношение минимального расстояния до края экрана к максимальному (по вертикали и горизонтали) равнялось 1:2, получим 3 требования, которые должны выполняться одновременно: точка должна лежать выше красной прямой, ниже красной прямой, и находиться на зеленой прямой. Решение единственное - черная точка на расстоянии 167 мм ниже и левее центра экрана.
Если интересно, то можно описать вокруг квадрата окружность, считать ее круглым экраном, и тогда приходим к тому, с чего начинали - громкоговоритель на расстоянии 1/3 диаметра от краев экрана.
Нам неизвестно, согласился бы с данным решением Виктор Кивович Иофе или нет, но именно так решали задачу неизвестные мне специалисты, некогда разработавшие компактный стандартный щит для измерения головок прямого излучения размером 1,35х1,65 метра.
Никогда не бойтесь упростить сложную проблему до безобразия, после решения простой задачи решение сложной придет само собой.
Следующая статья - о закрытых акустических системах и методе их расчета, об определении параметров громкоговорителя и оценке его пригодности для работы в ЗАС.
