Дамы и господа, аудиофилы и меломаны, здравствуйте. Добро пожаловать на Dzen канал магазина Demograf AE, посвященный аудиотехнике.
Сегодня у нас сборная очередная, интересная статья, посвященная выбору рупоров, а точнее тому, что нужно знать при этом аудиофилу, на наш взгляд.
Отдельно отмечаем, что мнение Demograf Audio может не совпадать с мнением автора статьи.
Тем временем, напоминаем, что Demograf Audio, среди прочего, занимается изготовлением рупоров и рупорной акустики. Напоминаем Вам, что ознакомиться с нашей аудиотехникой вы можете на сайте audio-tube.ru
Авторы: И. Алдошина, К. Никитин.
Итак, поехали!
Рупорные акустические системы
Πоначалу был большой соблазн назвать предлагаемую сегодня читателям статью "Там, где живут басы (6)" (см. пять предыдущих номеров "АМ").
Однако учитывая, что в рупоре могут жить не только, а порой и не столько басы, с предыдущей серией решено покончить и постепенно перейти на более высокие частоты.
История рупорных излучателей интересна не только потому, что они появились раньше диффузорных.
Думается, что длинные трубы, изображения которых присутствуют в памятниках египетской культуры многотысячелетней давности, были отнюдь не самыми древними рупорами, используемыми человеком.
Полые рога животных или, на худой конец, сложенные рупором ладони всегда были в распоряжении человека, пытающегося погромче заявить о себе.
В России, например, вплоть до XIX века существовали роговые оркестры, да и множество инструментов современного симфонического оркестра с точки зрения акустического оформления никак иначе чем драйвер + рупор не представишь.
В тромбонах, тубах, просто трубах и особенно в валторнах, само название которых в переводе означает "охотничий (дословно лесной) рог", используется принцип акустического рупора.
Реально история рупоров в электроакустике начинается, наверное, все же не с телефонного раструба начала века и не с граммофонного рупора, а чуть позже, с 1927 года, когда уже известные нам по предыдущим публикациям Турас и Венте (Thuras, Wente, "Bell laboratories") разработали, а в следующем году и запатентовали "компрессионный рупорный излучатель".
В качестве громкоговорителя (драйвера) использовался электромагнитный преобразователь с бескаркасной катушкой, в виде намотанной на ребро алюминиевой ленты (!).
Кстати, это "хорошо забытое старое" спустя 60 лет стало особо модным в современных динамических головках для компрессионных АС. Диафрагма драйвера (мембрана, диффузор) у Тураса и Венте была сделана из вогнутого алюминиевого купола.
Уже тогда использовалась и предрупорная камера, и так называемое "тело Венте", однако обо всем этом пойдет речь позже и подробнее.
За 70 лет развития рупорных излучателей единственным серьезным достижением стал переход на постоянные магниты и усовершенствование тела Венте.
Первая серийно выпускаемая промышленностью модель "555/55W" (фирмы "Western Electric"), широко использовалась в кинотеатрах 30-х годов, однако эти излучатели явно недодавали басов.
Значительным шагом на пути расширения частотного диапазона рупорного излучателя вниз было изобретение англичанина П. Войгта, предложившего свернутые рупоры, кстати, переживающие свой ренессанс в настоящее время.
Луша (пытаясь сложить передние лапы рупором). Лю-юди-и-и! Нельзя ли начать разговор по существу? Уже пять минут я слушаю этот исторический экскурс и жду, когда же кто-нибудь из вас примется за изложение технической информации.
К. К. Отчего же, извольте. Помнишь, подруга, как несколько лет назад мы плавали с тобой на байдарке, обложившись пачками читательских писем?
Луша. Чем облажавшись?
К. К. Так вот, заметь, грести ты старалась, опустив весло в воду.
Луша. Чудак-человек, а как еще грести-то?
И. А. Ну, например, опираясь веслом о воздух...
Луша. Ирина Аркадьевна, вы в отпуске в этом году были? Может, вам отдохнуть, а?..
К. К. Ну а почему же тогда никому не кажется странным, что диффузорные громкоговорители в своей производственной деятельности опираются диффузором на "бестелесный" воздух? Вот откуда возникает ничтожный КПД в один процент.
Луша. Ах вот куда вы, коллеги, клонили с вашей байдаркой. Запутали бедную собачку, можете радоваться. Кстати, до сих пор не пойму, почему
КПД равен 1%. Что же получается, если мощность УНЧ 100 Вт, а излучается 1 Вт, то 99 Вт греют катушку?
К. К. Нет, конечно. КПД диффузорного громкоговорителя как электромеханического преобразователя сравним с КПД среднего электромотора.
Луша. Ну и? ...
И. А. Да вот беда, энергия, переданная диффузору, так и остается его достоянием, теряясь в диссипативных элементах подвеса. И лишь малая доля колебательной энергии диффузора единицы процентов передается окружающему диффузор воздуху. Кстати, малая именно по той причине, что оттолкнуться веслом от воздуха трудно.
Луша. В результате имеем КПД, как у паровоза Черепанова.... Кажется, Я начинаю кое-что понимать.... Большая экономия электроэнергии УНЧ может случиться, если опустить АС в воду, при условии, конечно, что бумага не размокнет?
И. А. Разумеется. Гидроакустические преобразователи имеют КПД до 70%. Правда, слушать их звук приходится в воде.
Собачка. Как я понимаю, раз вы всю эту дискуссию затеяли в статье о рупорах, все дело окажется в том, что по каким-то причинам они хороши именно с точки зрения КПД.
К. К. Она, как всегда, права. Кроме названного, у них есть другие достоинства, о которых мы сейчас и поговорим.
И. А. Рупорные громкоговорители. Можно разделить на два крупных класса широкогорлые и узкогорлые. Широкогорлые рупорные громкоговорители используют обычные мощные динамические головки прямого излучения, и входной диаметр горла такого рупора примерно соответствует диаметру головки громкоговорителя.
Узкогорлые состоят из купольного громкоговорителя специальной конструкции, называемого драйвером, рупора (входной диаметр горла которого значительно меньше диаметра головки громкоговорителя) и предрупорной камеры, часто имеющей дополнительный вкладыш-фазосдвигатель, или тело Венте (рис. 1).
К. К. А теперь коснемся основ его устройства, для чего предоставим слово вам, Ирина Аркадьевна.
И. А. Рассмотрим основные элементы узкогорлого рупорного громкоговорителя.
Рупор - труба переменного сечения, на которую нагружен драйвер. Рупор является одной из разновидностей акустического оформления.
Излучатель без оформления не может излучать низкие частоты из-за возникающего "эффекта короткого замыкания" (о нем мы уже говорили в одной из первых наших статей).
При установке громкоговорителя в бесконечный экран или при другом виде оформления излучаемая им акустическая мощность зависит от активной составляющей акустического сопротивления излучения.
К. К. Напомним, что понятие акустического сопротивления вводится таким образом: если в электрических цепях сопротивление является коэффициентом, связывающим мощность с квадратом тока P = R*i2, и измеряется в омах, то акустическое сопротивление связывает излучаемую акустическую мощность с квадратом колебательной скорости Рак= Rнал*u2 и измеряется в единицах Па*с/м.
И. А. На низких частотах, когда длина волны больше размеров излучателя, вокруг последнего распространяется сферическая волна, при этом на низких частотах излучение мало, преобладает реактивное сопротивление.
По мере повышения частоты возрастает активное сопротивление, которое в сферической волне равно Rизл = срЅ(kа)2/2 (в плоской волне оно больше и равно срЅ), где «S» - площадь громкоговорителя, «а» -его радиус, «с» - скорость звука в воздухе, «р» - плотность воздуха, «k» - волновое число, равное отношению частоты к скорости звука k=w/с.
Особенностью сферической волны является еще и то, что давление в ней быстро падает обратно пропорционально расстоянию: р-1/г.
Этот недостаток может быть устранен путем помещения излучателя в трубу, сечение которой возрастает постепенно.
Это и есть рупор. Входное отверстие рупора, в котором располагается излучатель, называется горлом, а выходное отверстие, излучающее звук в окружающую среду, устьем.
Назначение рупора в том, чтобы: а) увеличить нагрузку на диафрагму, в связи с чем горло рупора должно иметь малый диаметр при этом происходит трансформация энергии (подробнее поговорим чуть позже);
6) обеспечить оптимальные условия для излучения волны из устья в окружающую среду, для чего необходимо иметь достаточно большой диаметр устья рупора; в узких трубах большая часть энергии отражается обратно, создавая стоячие волны (это явление используется в музыкальных духовых инструментах); если отверстие трубы становится больше, то Rизл приближается к рсЅ, иначе говоря, к сопротивлению плоской волны в воздухе, и волна беспрепятственно выходит наружу; при этом уменьшается доля отраженной энергии и увеличивается доля излученной (уменьшается наложение прямой и обратной воли);
в) уменьшить "растекание" энергии, то есть быстрый спад звукового давления, и трансформировать фронт волны так, чтобы его форма приближалась к форме плоской волны: это увеличивает сопротивление излучения (в плоской волне оно выше, чем в сферической) и уменьшает скорость убывания давления (для достижения этого эффекта должна быть выбрана специальная форма образующей рупора); выбор формы рупора позволяет также концентрировать звуковую энергию в заданном угле, то есть формирует характеристику направленности.
Таким образом, рупор должен иметь горло небольшого размера, причем его сечение должно медленно возрастать, размеры же устья должны быть достаточно велики, чтобы звуковая волна излучалась в основном во внешнюю среду, а не отражалась внутрь.
Чтобы устье достигло необходимых размеров при приемлемой осевой длине рупора, скорость возрастания сечения рупора должна быть пропорциональна увеличению сечения: тем медленнее, чем изменение сечения меньше, и тем быстрее, чем оно больше.
Этому требованию отвечает экспоненциальная форма рупора, которая математически выражается так:
Показатель расширения рупора есть величина, определяемая изменением сечения рупора, приходящимся на единицу его осевой длины.
Экспоненциальный рупор изображен на рис. 2, где показано, что отрезку осевой длины рупора ∆ соответствует постоянное относительное изменение сечения.
Применение такой формы рупора обеспечивает преобладание активной составляющей сопротивления излучения над реактивной. Кроме того, при относительно больших размерах устья рупора, в неограниченную среду излучается волна, фронт которой близок к плоскому.
Вообще говоря, имеется целый ряд других форм рупора (конические, гиперболические и др.), с помощью которых можно получить похожие результаты; многие из них сейчас широко используются в промышленности.
Анализ волнового процесса, происходящего в экспоненциальном рупоре, показывает, что сопротивление излучения, на которое нагружен излучатель, зависит от частоты (таким образом, как это показано на рис. 3).
На графике видно, что в экспоненциальном рупоре (равно и в коническом, катеноидальном и др.) волновой процесс возможен лишь при условии, что частота колебаний излучателя превышает некоторую частоту, называемую критической (fкр).
Ниже критической частоты активное сопротивление излучения рупора равно нулю. Начиная с некоторой частоты, которая примерно на 40% выше критической, активное сопротивление излучения превышает реактивное, поэтому излучение становится достаточно эффективным.
Как следует из графика, на частотах, более чем в четыре раза превышающих критическую частоту, сопротивление излучения остается постоянным. Критическая частота зависит от показателя расширения рупора: w=Bc/2, где «с» - скорость звука.
От показателя расширения зависят не только критическая частота рупора, а следовательно, и частотная характеристика сопротивления излучения, но и габариты рупора. Осевая длина рупора может быть определена из формулы экспоненциального рупора:
l=1/b*ln S1/S0
Из этих выражений можно сделать следующий вывод:
Чтобы расширить частотный диапазон рупорного громкоговорителя, то есть снизить его критическую частоту, надо уменьшить «b» - показатель расширения рупора. Для этого должна быть увеличена осевая длина рупора.
Осевая длина зависит, конечно, от площади устья рупора и площади его горла, но на эти величины накладываются другие ограничения, о которых Мы уже говорили.
Для получения настоящих басов потребовались бы рупоры длиной в несколько метров, и, если бы не были изобретены специальные "свернутые" рупоры (см. далее), рупорные акустические системы никогда бы не получили такого широкого распространения.
Поговорим теперь об акустической трансформации.
Чтобы увеличить сопротивление нагрузки на диафрагму драйвера и тем самым повысить его КПД, используют предрупорную камеру объем между диафрагмой и горлом рупора (рис. 1).
Луша. А макароны в говядину трансформировать не удается? Хотя бы немножко...
И. А. Ну ладно, не "силы в скорость", а "сил и скоростей".
Таким образом, использование акустической трансформации позволяет увеличить сопротивление излучения и тем самым повысить акустическую мощность.
Однако при использовании трансформации необходимо учесть, что высота предрупорной камеры должна выбираться не очень большой, чтобы при колебаниях излучателя воздух в предрупорной камере не деформировался.
Величина коэффициента акустической трансформации также ограничена, так как зависит от площади излучателя (S1) и площади горла рупора (S0).
Для увеличения R(изл) коэффициент акустической трансформации нужно увеличивать, но увеличение площади излучателя связано с возрастанием его массы.
Излучатель большой массы имеет на верхних частотах большое инерциальное сопротивление, которое становится соизмеримым с сопротивлением излучения.
В результате на верхних частотах уменьшается колебательная скорость, а следовательно, и акустическая мощность.
Коэффициент акустической трансформации увеличивается и при уменьшении площади горла рупора, но оно, как уже указывалось, допустимо лишь в определенных пределах. Таким образом, коэффициент акустической трансформации оказывается ограниченным, его выбирают порядка п = 15-20.
Высокое давление в горле рупора и малая высота предрупорной камеры являются причиной появления дополнительных нелинейных искажений в рупорных громкоговорителях (в связи с нелинейной компрессией воздуха и наблюдающимися в нем термодинамическими эффектами).
К. К. Пора перейти к следующему компоненту рупорных излучателей драйверу.
И. А. В рупорах используются мощные электродинамические громкоговорители. Для широкогорлых рупоров (без предрупорной камеры) это обычный мощный низкочастотный громкоговоритель.
Широкогорлые рупоры применяются сейчас в ряде конструкций акустических систем, например в АС фирмы "Genelec" (рис. 4; эта технология называется waveguide TL).
В узкогорлых рупорных громкоговорителях применяются специальные типы электродинамических громкоговорителей драйверы. Пример конструкции драйвера показан на рис. 5.
Как правило, они имеют купольную диафрагму из жестких материалов (титановой, бериллиевой, алюминиевой фольги, пропитанной стеклоткани и др.), изготовленную вместе с подвесом, имеющим синусоидальную или тангенциальную гофрировку).
К наружному краю диафрагмы крепится звуковая катушка (каркас из алюминиевой фольги или из жестких видов бумаг с двух или четырехслойной намоткой). Подвес при помощи специального кольца закрепляется на верхнем фланце магнитной цепи.
Над (или под) диафрагмой устанавливается противоинтерференционный вкладыш (тело Венте) акустическая линза для выравнивания фазовых сдвигов акустических волн, излучаемых различными участками диафрагмы.
К. К. В настоящее время рупорные громкоговорители находят широкое применение в аппаратуре, предназначенной для озвучивания и открытых и закрытых помещений, в киноконцертной аппаратуре, аппаратуре для оповещения (мегафоны, сигнальные громкоговорители), в некоторых АС домашнего назначения, а также в дорогих АС уровня high end как в качестве низкочастотного оформления, так и в СЧ и ВЧ-звеньях (см., например, "АМ" No 6 (29) 99, с. 73, 75), а также с ВЧ и СЧ рупорами ("АМ" No 4 (28) 99, с. 41-42, с. 98).
И. А. Основным преимуществом рупорных АС является не только высокий КПД, но и возможность управлять характеристикой направленности, что особенно важно в системах озвучивания и звукоусиления. За долгие годы производства АС этого типа создано большое разнообразие моделей с рупорами различных конфигураций.
Экспоненциальный рупор. Часто используется для озвучивания улиц, площадей и др. (например, отечественные 50ГРД-9, 100ГРД-1).
Секционный рупор. Был разработан для борьбы с обострением характеристики направленности на высоких частотах (рис. 6). Секционный рупор состоит из некоторого количества рупоров небольшого размера, соединенных вместе горлами и устьями.
При этом их оси оказываются развернутыми веером, и, хотя направленность каждой ячейки обостряется с частотой, общая направленность группового излучателя остается широкой.
Радиальный рупор. Имеет различную кривизну по разным осям (рис. 7). Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости почти постоянна в полном частотном диапазоне, в вертикальной плоскости она несколько уменьшается вместе с частотой.
Этот вид рупоров применяется в современных студийных мониторах и часто используется в кинотеатральной аппаратуре.
Также для расширения характеристик направленности на высоких частотах применяются акустические рассеивающие линзы (рис. 8). Дифракционный рупор.
Имеет узкое открытие в одной плоскости и широкое в другой. В первой он имеет широкую и почти постоянную диаграмму направленности, во второй более узкую (рис. 9).
Варианты таких рупоров широко используются в современной технике.
Рупор равномерного покрытия. В 1978 году после ряда исследований был создан фирмой "ЈВ. Такой ру пор позволяет контролировать характеристику направленности в обеих плоскостях (рис. 10).
Имеются и другие разновидности рупоров (типа Манта-Рей и пр.)
К. К. Главной проблемой применения рупоров в качестве низкочастотного оформления являются их большие размеры. Первые кинотеатральные системы со свернутым рупором были созданы в 30-е годы. Как они выглядели, изображено на рис. 11.
Сложная конструкция свернутого низкочастотного рупора для высококачественных акустических систем
была разработана впервые Полом Клипшем в 1941 году и получила название "Klipschorn" (рис. 12). На базе этой конструкции фирма до сих пор производит высококачественные акустические системы с рупорным оформлением, пользующиеся очень хорошей репутацией у ценителей качественного звука.
