СОДЕРЖАНИЕ

КОНСТРУКЦИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАДАННОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Очень важно обеспечить необходимую направленность АС. Действительно, предположим, что система имеет, как это часто бывает, тупую характеристику направленности на низких частотах и острую — на высоких. Тогда даже при весьма равномерной частотной характеристике на оси мы получим под некоторым углам к ней частотную характеристику с большим спадом в сторону высоких частот.

Разумеется, что получить удовлетворительное звучание от такой системы для всех направлений, кроме осевого, невозможно. Поэтому на практике применяют разные способы расширения характеристик направленности на высших частотах. Простейший из них — применение малых по сравнению с длиной волны излучаемого звука головок. Так, если головка работает в поршневом диапазоне, ее направленность изменяется незначительно.

В некоторых зарубежных моделях АС для расширения характеристик направленности на высоких частотах одиночных больших головок применяют рассеиватели (Рис. 79) или головки с секторными рупорами (Рис. 80).

Однако среднечастотные и тем более высокочастотные одиночные головки являются слишком маломощными, и для того чтобы подводить к ним большую мощность на средних и высоких частотах, приходится применять по нескольку головок, соединенных электрически последовательно или параллельно.

Такая группа головок будет обладать, как мы увидим дальше, довольно острой направленностью. Чтобы она не слишком сильно влияла на качество звучания, иногда располагают головки группами, вертикально одна над другой. При этом обостряется направленность только в вертикальной плоскости, что не причиняет большого вреда, если ось группы располагают на высоте ушей слушателей. Направленность же в горизонтальной плоскости при этом не отличается от направленности одиночной головки. Но такое расположение не всегда удобно конструктивно, так как при этом «раздувается» высота системы. Направленность группы излучателей может быть определена исходя из основной теоремы направленности, гласящей, что направленность группы R_г(Θ) равна произведению из направленности, входящей в нее одиночной головки R₀(Θ) на направленность R₁(Θ) рассматриваемой группе, но составленной из точечных, т. е. ненаправленных излучателей. Так, для линейной группы, т. е. составленной из ненаправленных излучателей, расположенных по прямой линии

R₁(θ) = sin(πdsinθ/λ / n•sin(πdsinθ/λ),

где Θ — угол между перпендикуляром к линии излучателей и направлением на точку наблюдения, n — число головок, d — расстояние между соседними излучателями, λ — длина волны излучаемого звука.

Как видно, направленность группы частотно-зависима, не говоря уже о том, что зависит также от частоты и направленность составляющих ее головок. Это приводит к обострению направленности с повышением частоты. Для борьбы с этим применяют включение головок группы через электрические фильтры (см. далее), рассчитанные так, что по мере повышения частоты одни за другими отключаются крайние головки группы, чтобы сохранить примерно постоянным отношение nd/λ.

Часто для расширения характеристики направленности располагают головки в горизонтальной плоскости по дуге крута. На Рис. 81 изображены получающиеся при этом характеристики направленности при угловом размере дуги 60° (Рис. 81,а), 90° (Рис. 81,6).

Рис. 81. Характеристики направленности головок при разных угловых размерах дуги

Цифры над каждой характеристикой обозначают отношение диаметра группы к длине волны излучаемого звука. Эти характеристики вычислены по довольно громоздкой формуле

где Θ угол между радиусом группы, проведенным через точку симметрии дуги и направлением на точку наблюдения, 2m-1 — число головок, предполагаемое нечетным, D — диаметр группы; с — центральный угол между соседними головками.

Это выражение выведено для группы, составленной из ненаправленных головок. Так же, как и для линейной группы предотвратить обострение направленности при повышении частоты можно с помощью электрических фильтров, отключающих одни за другими крайние головки группы.

Каждым из описанных способов можно добиться существенного расширения характеристик направленности. Однако малонаправленные акустические системы, предназначенные для воспроизведения стереофонических программ, обеспечивают удовлетворительное воспроизведение их лишь на сравнительно небольшой площади (см. Рис. 82), примыкающей к перпендикуляру, восстановленному к середине базы — линии, соединяющей центры систем стереофонической пары.

Рис. 82. Зона стереофонического восприятия ненаправленных акустических систем

А если учесть, что наилучшее впечатление у слушателей получается при нахождении на расстоянии от базы, примерно равном ее длине, то ясно, что площадь удовлетворительного восприятия стереофонического эффекта может содержать в себе лишь очень небольшое число слушательских мест. Советскими изобретателями А. В. Борисенко, Ю. А. Ковалгиным, А. П. Коротченко и Ю. П. Берендюковым предложен интересный способ расширения площади, на которой может наблюдаться стереофонический эффект.

Его психоакустической основой является тот факт, что направление на кажущийся при стереофоническом воспроизведении источник звука зависит как от разности уровней звукового давления ∆L, пришедших от стереофонической пары акустических систем к ушам слушателей, так и разности времен прихода звука ∆τ. При этом ∆L и ∆τ могут компенсировать друг друга, т. е. являться эквивалентными. Так, если кажущийся источник звука подбором какого-то значения ∆L выведен из срединной точки базы, то при подборе какого-то значения ∆τ этот источник может быть возвращен в первоначальную точку. Количественно взаимная компенсация ∆L и ∆τ может быть выражена через коэффициент эквивалентности: k_x = ∆L / ∆τ. Индекс х обозначает, что значения k_x зависят от бокового смещения х от оси базы, параллельно ей. Зависимость k_x от х представлена на Рис. 83.

Рис. 83. Зависимость kx от х

Каждая точка слушания характеризуется значением ∆τ, разностью расстояний L₁ и L₂ до акустических систем стереофонической пары и значением ∆L, определяемым той же разностью расстояний и формой характеристики направленности АС, и углом разворота φ их осей (Рис. 8.4).

Рис. 84. Образование разности уровней и разности времени

Очевидно, что, подбирая форму характеристики направленности и угол разворота осей, можно добиться для каждой точки слушания сохранения стереофонического эффекта. Количественно условие этого сохранения выражается уравнением

k_x∆τ + ∆L + ∆L_R = 0 (51)

Здесь ΔL — разность уровней звукового давления из-за разности расстояний L₁ и L₂ до акустических систем, а

∆L_R = R(Θ₁) - R(Θ₂),

разность уровней за счет того, что звук от пары акустических систем, приходящий в точку слушания, излучается под разными углами к оси каждой АС. Отсюда

R(θ₁) - R(θ₂) = (l₁-l₂)/c 10³k_x + 20 lg (l₁/l₂) (52)

Это соотношение хорошо выполняется для всех положений слушателя, не слишком близких к базе. Отметим, что соблюдение условий (51) и (52) не обязательно во всем частотном диапазоне. Достаточно их соблюдение в диапазоне от 300 — 600 Гц до 3000 — 5000 Гц, определяющим стереофонический эффект. Расчет по выражению (52) показывает, что оно удовлетворяется не одной формой характеристики направленности, а множеством этих форм.

На Рис. 85 представлены оптимальные формы характеристики направленности, правой (сплошная линия) и левой (пунктирная) АС, расположенных на базах равной длины (от 1,8 до 2,8 м) при расстоянии слушателей от базы 2 м.

Рис. 85. Оптимальные формы характеристик направленности АС при расстоянии до слушателя 2 м и длине базы от 1,8 до 2,8 м

Рис. 86 — оптимальные формы характеристик направленности для разных расстояний слушателей от базы 1,8 м.

Рис. 86. Оптимальные формы характеристик направленности АС для разных расстояний до слушателя при базе длиной 1,8 м

Для расширения площади восприятия стереофонического эффекта можно применять и АС, не направленные в горизонтальной плоскости, но направленные в вертикальной, с расположением их выше или ниже ушей слушателей. Использование площади прослушивания показано на Рис. 87.

Рис. 87. Зависимость коэффициента использования площади прослушивания от направленности громкоговорителей для разных углов пересечения акустических осей

Реализация требуемых характеристик направленности может быть осуществлена только за счет использования специальных принципов конструирования АС или, точнее, их среднечастотных звеньев. Наиболее употребительными конструкциями в настоящее время являются линейные группы (где центры головок расположены по прямой) и акустические линзы. Для примера приведем данные линейной группы, составленной из головок диаметром 0,1 м.

Таблица 3

Как видно, по мере повышения частоты число головок должно уменьшаться, что можно выполнить путем отключения крайних головок с помощью электрических фильтров (что, вообще говоря, не очень практично). В приведенном примере конструктивная длина группы составит 6•0,1 = 0,6 м. Однако эта длина может быть уменьшена, как и для групп другой длины, в половину, если группа будет вплотную прижата к стене. Такой же результат получается для групп, направленных в вертикальной плоскости, при их установке на полу.

Примером устройства акустической линзы является конструкция, показанная на Рис. 88. Она представляет собой набор достаточно жестких параллельных металлических пластин, располагаемых под некоторым углом к стереофонической базе. Для направления, совпадающего с плоскостью пластин, линза не оказывает существенного влияния, но для других направлений, как это уже пояснялось ранее, из-за разности фаз колебаний от выходов линзы до точки наблюдения направленность обостряется. Поэтому, например, для получения результатов, приведенных в табл. 3, при использовании линзы достаточно в указанных там полосах иметь число головок соответственно 3,3 и 2 и наклон пластин линзы от 40° (для базы 1,8 м) до 30° (для базы 3 м). При таком небольшом числе головок электрическое отключение одной или двух из них можно осуществлять с помощью шунтирующего отключаемые головки конденсатора.

Рис. 88. Устройство акустической линзы

В заключение отметим, что термин «линза» применяется по аналогии с оптическими линзами, где концентрация или рассеивание света получается за счет того, что лучи проходят в различных точках линзы разные пути благодаря чему изменяется фаза световых колебаний для каждого из лучей.