СОДЕРЖАНИЕ

АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ПАССИВНЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ

Одна из разновидностей фазоинверсной акустической системы — АС с ПИ. Она отличается от закрытой АС наличием дополнительной подвижной системы (в простейшем случае — подвижной системы низкочастотной головки без катушки и магнитной цепи) (рис. 61).

Эта система пассивная и возбуждается колебаниями воздуха в закрытом корпусе при работе головки, излучая звуковые волны в области низких частот. В результате суммарное звуковое давление, развиваемое АС с ПИ на низких частотах, может быть значительно больше, чем закрытой АС равного объема и с той же низкочастотной головкой. Конструкция АС с ПИ приведена на рис. 62.

По принципу действия АС с ПИ сходна с АС с ФИ. Единственное различие состоит в том, что масса воздуха в трубе фазоинвертора заменена массой подвижной системы пассивного излучателя.

Рис. 61. Головка прямого излечения (а) и пассивный излучатель (б)

Изменяя массу подвижной системы пассивного излучателя, можно значительно проще изменять его резонансную частоту по сравнению с фазоинвертором, где для этого приходилось менять размеры отверстия, диаметр или длину трубы.

Рис. 62. Конструкция АС с ПИ: 1 — пассивный излучатель; 2 — низкочастотная головка 3 — высокочастотная головка

Ранее отмечалось, что АС с ФИ имеет ряд конструктивных ограничений. Так, при настройке фазоинвертора на низкую резонансную частоту (30—50 Гц) масса воздуха в трубе должна быть достаточно большой, что обычно обеспечивается либо увеличением ее длины, либо уменьшением диаметра (при неизменном внутреннем объеме). В первом случае может получиться, что труба конструктивно не поместится в оформление, либо ее длина превысит критическое значение λ_н/12. Во втором случае могут резко возрасти акустические потери на трение в трубе, что снизит эффективность АС с ФИ в области низких частот.

Акустические системы с ПИ свободны от этих недостатков. Действительно, как на площадь пассивного излучателя, которая обычно выбирается равной площади диффузора головки и даже больше, так и на его массу не накладывается никаких ограничений. Поэтому при расчете этих систем можно не опасаться тех трудностей, которые возникают при применении АС с ФИ. Настройка пассивного излучателя практически на любую частоту резонанса f_п его массой m и гибкостью объема воздуха S_в не вызывает затруднений. Это видно из следующего выражения:

(46)

Следует однако отметить, что собственно пассивный излучатель характеризуется не только массой, но также и гибкостью подвеса S, так что АС с ПИ является более сложной колебательной системой, чем АС с ФИ, что, естественно, усложняет ее расчет.

Принцип использования пассивных излучателей для повышения уровня звукового давления известен давно, однако практические конструкции АС с ПИ стали появляться лишь в 70-х годах. Можно отметить конструкции АС с ПИ, выпускаемые фирмами Kenwood (Япония), Selection (Англия), Ohm (США). Как следует из табл. 1, в настоящее время выпуск этих систем приближается к 10% в развитых капиталистических странах. В нашей стране также начали выпускать такие АС.

При расчете АС с ПИ так же как в АС с ФИ целесообразно находить не абсолютное значение звукового давления, а его значение по сравнению со звуковым давлением соответствующей закрытой системы. Это позволяет определить тот выигрыш, который обеспечивает АС с ПИ по сравнению с закрытой системой.

Тогда по аналогии с (40) имеем

(47)

где r_sп = r_s1 - r_s2

Здесь введены обозначения, аналогичные примененным при рассмотрении АС с ФИ.

В основу расчета АС с ПИ по выражению (46) может быть положена схема акустического аналога АС с ПИ, изображенная на рис. 63. Здесь r₀ — активные потери в головке, r — активные потери в пассивном излучателе.

Поскольку АС с ПИ так же, как и АС с ФИ может быть рассмотрена как система из двух излучателей, один из которых — собственно низкочастотная головка, а другой — пассивный излучатель, то расчет выражения √r_sп/r_s0 для пассивного излучателя ничем не отличается от его расчета для фазоинвертора.

Рис. 63. Упрощенная схема акустического аналога АС с ПИ

Единственное отличие состоит в том, что площадь пассивного излучателя может быть выбрана значительно большей, чем площадь отверстия фазоинвертора. Расчеты авторов показали, что для АС с ПИ значение √r_sи/r_s0 может составлять от 2,0 до 2,35 и оно частотно-малозависимо.

Выражение для ρ₀ закрытого оформления подставляем в (47) в виде (42). Вывод выражения для k = x/x₀ приведен в приложении 5. Здесь приводится лишь окончательное выражение:

Выражение для звукового давления АС с ПИ (ρ_п) с учетом (47), (42) и (48) может быть записано как

(49)

где А — частотно-независимый множитель.

Как видно из (49), поведение АС с ПИ может быть описано пятью параметрами: n, L, ρ, Q, Q_п. Здесь кроме параметров, описывающих АС с ФИ, появился параметр ρ = S_в/S, характеризующий относительную упругость (подвеса) пассивного излучателя, т. е. отношение упругости воздуха внутри оформления к упругости подвеса пассивного излучателя. Добротность фазоинвертора Q_п заменяется здесь добротностью пассивного излучателя, равной Q_п = ω_пm/r_п.

Исследования авторов показали, что число переменных можно сократить до четырех, так как значение Q_п может быть выбрано фиксированным и в диапазоне Q_п > 5 практически не влияет на полученные результаты.

Таким образом, характеристики АС с ПИ зависят от добротности головки, объема оформления, настройки пассивного излучателя и упругости его подвеса, при условии поддержания добротности пассивного излучателя Q_п > 5.

Выражение (49) довольно громоздко. Поэтому на рис. 64—66 приводятся наборы графических зависимостей (семейства частотных характеристик), построенных по выражению (48). Каждый рисунок выполнен для фиксированных значений Q, Q_п, h для семейства кривых с различными значениями настройки пассивного излучателя и относительными упругостями его подвеса.

Рис. 64. Семейство частотных характеристик АС с ПИ для Q₀ = 0,2, h = 0,5 (а) и Q₀=0,2, h = 1,0 (б)

Здесь и на рис. 65, 66 нанесены следующие кривые:

Рис. 65. Семейство частотных характеристик АС с ПИ для Q₀ = 0,4, h = 0,5 (а) и Q₀ = 0,4, h=1,0 (б)

Рис. 66. Семейство частотных характеристик АС с ПИ для Q₀ = 0,6, h = 0,5 (а) и Q₀ = 0,6, h=1,0 (б)

Как видно из приведенных кривых, обычно пассивный излучатель настраивается на частоту в 2 — 3 раза ниже резонансной частоты головки в отличие от настройки фазоинвертора, резонансная частота которого может лишь незначительно отличаться от резонансной частоты головки. Что касается добротности используемых головок, то их значение составляет 0,2—0,8 и связано с объемом оформления. Чем меньше объем оформлений, тем меньшую добротность головки необходимо выбирать.

С помощью приведенных кривых могут быть решены различные задачи. Например, задавшись желательной формой частотной характеристики, типом головки и предположительным объемом оформления, выбирают параметры пассивного излучателя (его массу и гибкость). Если желаемая форма частотной характеристики не получается, наиболее просто увеличивать объем оформления. Однако могут возникнуть такие сочетания добротности головки и объема оформления, при которых получить желательную форму частотной характеристики затруднительно.

В качестве примера рассмотрим двухполосную систему ЮАС-10 с пассивным излучателем, изображенную на рис. 62. В ней в качестве низкочастотного звена 2 использована головка 10ГД-34 ø = 105 мм, а в качестве высокочастотного 3 — головка ЗГД-31. Передняя панель квадратная (315X315 мм). Корпус имеет малую глубину (125 мм). Конструкция пассивного излучателя 1 представляет собой диффузор конусной головки (ø 140 мм) с добавочной массой. Резонансная частота головки 54 Гц, резонансная частота пассивного излучателя — 15 Гц.

Заметим, что делают попытки повысить эффективность работы АС с ПИ. На рис. 67 изображена такая АС с ПИ.

Рис. 67. Схематическое изображение сложной АС с ПИ

В этой системе имеется два закрытых объема V₁ и V₂. Головка 1 дает объем V₁, а пассивный излучатель частью 2 возбуждает объем V₁, а частью 3 — объем V₂, который полностью заполнен звукопоглощающим материалом. Благодаря наличию объема V₂ и связи с ним пассивного излучателя снижается резонансная частота АС с ПИ и улучшается форма ее частотной характеристики.

Пример расчета

Пусть имеется головка ЗОГД-1 с параметрами: f₀ = 25 Гц, Q = 0,2, V_э = 160 л. Необходимо найти параметры АС с ПИ для случая максимально ровной частотной характеристики системы в области низких частот.

Рассмотрим рис. 64,а, 65,а и 66,а, справедливые для Q = 0,2. Как видно, наилучшие результаты могут быть получены при п = 2 (рис. 65,а). При этом внутренний объем оформления будет равен 80 л. Теперь выбираем частоту настройки и гибкость подвеса пассивного излучателя. Предпочтение следует отдавать кривым с параметрами l = 2, р = 2 и l = 2, р = 3. Характеристика при р = 2 получается наиболее протяженной в область низких частот, спад плавный, но достигающий ~9 дБ на частоте 23 Гц. Выигрыш по звуковому давлению составляет 6 дБ. Спад характеристики при l = 2, р = 3 также плавный, но составляет ~7 дБ до частоты 25 Гц. Выигрыш по звуковому давлению 7 дБ.

Каковы же параметры АС с ПИ? Пассивный излучатель в обеих случаях настраивается на частоту в 2 раза ниже резонансной частоты головки (l = 2), т. е. на 22,5 Гц. Относительная упругость подвеса ПИ равна соответственно p = 2 и p = 3, т. е S = S_в/2 и S = S_в/3. Иными словами, эквивалентный объем излучателя V_э.п (понятие аналогичное понятию — эквивалентный объем головки) при р = 2 равен эквивалентному объему головки V_э, т. е. 160 л, а при р = 3 равен 3/2V_э, т. е. 240 л.

Площадь ПИ выбирается равной площади диффузора головки, а масса определяется из (46) и должна быть такой, чтобы с упругостью (S_в+S) обеспечить резонансную частоту ПИ 22,5 Гц. Добротность излучателя должна быть больше 5.