СОДЕРЖАНИЕ

ЗАКРЫТОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

Очень большое распространение в последние годы получили закрытые АС.

Они до недавнего времени были единственным, видом АС для высококачественного воспроизведения как в нашей стране, так и за рубежом.

И только в последние годы АС с фазоинвертором (АС с ФИ) и АС с пассивным излучателем (АС с ПИ) нарушили монополию закрытых АС.

Тем не менее закрытые АС и в настоящее время являются одной из наиболее распространенных конструкций высококачественных АС в Западной Европе и довольно широко выпускаются в США, как это было видно из табл. 2.

На Рис. 37 представлена типичная закрытая АС и ее электрический аналог. Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыкание». Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления.

Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении ω₀₁ и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха S_B может быть найдено как

S_B=γρ₀S²_эфф/V (34)

где γ — показатель адиабаты; S_эфф — эффективная площадь диффузора головки; V — внутренний объем корпуса оформления.

Рис. 37. Типичная закрытая акустическая система и ее электроакустический аналог

Эффективной площадью диффузора считают 50—60% его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d, S_эфф=0,55S=0,44d². Это эквивалентно тому, что эффективный диаметр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Упругость S_B суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки S₀ и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении

(35)

где m₀ — масса подвижной системы головки.

Как видно из (34), упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха V_э, имеющего упругость S₀. Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении

(36)

Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, иногда применяют головки с более тяжелой подвижной системой, что позволяет несколько снизить резонансную частоту головки в закрытом оформлении, как это видно из (35). Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность АС, как это видно из формулы для стандартного звукового давления:

где А — частотно-независимый множитель; R_г — выходное сопротивление усилителя (генератора); R_к — активное сопротивление звуковой катушки; а — эффективный радиус головки.

Особенно малой эффективностью обладают так называемые малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упругость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки. Такие системы, у которых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки. Стандартное звуковое давление ρ_ст такой системы на частотах ω>ω₀₁, где ρ_ст частотно-независимо, определяется как

где Q₀₁ — добротность головки в закрытом оформлении.

Как следует из (37), неравномерность частотной характеристики закрытых АС в области низких частот так же, как и открытых, определяется их добротностью (Рис. 38).

Рис. 38. Частотная характеристика закрытой системы

При Q₀₁<0,707 частотная характеристика АС равномерно понижается с понижением частоты в область низких частот и неравномерность проявляется как спад на резонансной частоте ω₀₁ по сравнению с высшими частотами. При 0,707<Q₀₁<1,0 частотная характеристика имеет небольшой пик на частоте ω₁ и далее спад на резонансной частоте ω₀₁.

Неравномерность частотной характеристики при этом определяется подъемом на пике ω₁ и спадом на резонансной частоте ω₀₁. При Q₀₁>1,0 неравномерность частотной характеристики определяется только пиком на частоте ω₁ относительно горизонтальной части характеристики.

Рис. 39. Зависимость неравномерности частотной характеристики закрытой АС от Q_ст

Неравномерность частотной характеристики в зависимости от добротности закрытой АС приведена на Рис. 39. Как следует и Рисунка, минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q₀₁=1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия

(38)

Исследования авторов показали, что добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать Q = 0,8 — 1,0.

В противном случае головка получается «раздемпфированной». Это означает, что при ее возбуждении, т. е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, головка помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет колебаться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте. Для слушателей это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота» низких тонов.

Отметим также, что если головка помещена в закрытом ящике, ухудшается равномерность частотной характеристики в области средних и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении. Для их устранения внутренние поверхности (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия — расширения воздуха в оформлении.

Без заполнения процесс сжатия — расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиабатический процесс сменился на изотермический. В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент γ в (34), составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС.

Это снижение в пределе (для компрессионной АС) достигает √1,4 так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В противном случае резонансная частота головки ω'₀₁ может быть найдена как

Как практически определить, что изотермический процесс сжатия — расширения воздуха внутри оформления достигнут? Процесс будет достигнут, если при добавлении внутрь оформления новой порции рыхлого звукопоглощающего материала резонансная частота закрытой АС уже не понижается. Исследования авторов показали, что заполнять внутренний объем оформления более, чем на 60%, нецелесообразно.

Вместе с тем количество рыхлого звукопоглощающего материала не должно быть чрезмерным, чтобы активные акустические потери в оформлении и заполнении не были значительны. Следует отметить, что степень влияния активных акустических потерь в оформлении (и заполнении) на ход частотной характеристики зависит, строго говоря, не от их абсолютных значений, а от соотношения активных акустических потерь в оформлении и полных потерь в головке. Потери в головке — это собственные акустико-механические активные потери (r₀) на внутреннее трение в материале головки, трение о воздух при работе, потери в виде активной составляющей сопротивления излучения и т.д., а также «вносимые» в головку потери (r_вн). Авторы рекомендуют следующий критерий допустимости активных потерь в оформлении и заполнении:

(r_вн+r₀)/(r_оф+r_зап)>10

где r_оф+r_зап — активные акустические потери в оформлении и в заполнении соответственно. При меньшем соотношении потерь АС должна быть переделана.

Нахождение значений активных потерь в оформлении и заполнении, а также способы уменьшения их описаны далее.

Чрезмерные активные акустические потери могут быть в АС при некачественном (с акустической точки зрения) выполнении корпуса оформления, креплении головки, при чрезмерном заполнении оформления звукопоглощающим материалом, а также при чрезмерно малых внутренних объемов оформления (V_э/V>8).

В заключение для быстрого расчета закрытых АС предлагается графический метод. По графикам на Рис.40—45 можно для заданной головки с присущими ей параметрами подобрать рациональное оформление, и наоборот, по заданному оформлению выбрать подходящую головку. Для конкретного расчета используется пара графиков из представленных на Рис. 40—45. Рисунок 40, на котором представлена зависимость ω₀₁/ω₀ от V_э/V — общий при расчете.

Рис. 40. Зависимость ω₀₁/ω₀ от V_э/V

Из Рис. 41—45 выбирается один — в зависимости от добротности применяемой головки (от 0,4 до 0,8). На этих Рисунках представлены семейства кривых зависимости V_э/V от ω_гр/ω₀, где ω_гр — нижняя граничная частота воспроизводимого диапазона. Параметром системы является значение спада частотной характеристики (дБ) на частоте ω_гр. Кроме того, на каждом графике справа нанесена дополнительная ось, по которой отложено значение √1+V/V_э, с помощью которого можно определить стандартное звуковое давление закрытой АС на горизонтальной части характеристики [исходя из (38)] в виде ρ_ст = A√1+V/V_э=2,65х10^-3√F₀V/Q легко вычисляется для заданной головки, так как ω₀, V_э, Q — параметры головки.

Пример расчета

Пусть, например, используется головка с параметрами: Q=0,4; f₀=30 Гц; V_э=100 л. Находим предварительно. А=2,65•10^-3√30³•100•10^-3/0,4 = 0,218.

Пусть требуется подобрать для этой головки объем оформления V, при котором спад частотной характеристики должен составлять 6 дБ на граничной частоте АС f_гр=40 Гц.

Выбор оформления проводим следующим образом. По Рис. 41 из точки ω_гр/ω₀=40/30=1,33 на горизонтальной оси восстанавливаем ординату до пересечения с кривой с отметкой 6 дБ и из этой точки проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с осью V_э/V. Получаем V_э/V=0,95. Отсюда V=0,95 V_э=0,95•100 = 95 л. Этому значению V_э/V соответствует по правой вертикальной оси значение √1+V/V_э = 1,4. Следовательно, ρ_ст=2,18-1,4 =0,305 Па. По графику на Рис. 40 находим отношение ω₀₁/ω₀=f₀₁/f₀=1,4. Отсюда f₀₁=1,4f₀=1,4•30=42 Гц.

С помощью указанных графиков могут быть решены и другие задачи. Перечислим их, не объясняя подробно, поскольку метод рассуждения примерно тот же. Например, может быть найден спад частотной характеристики на граничной частоте f_гр для заданных головок и объема оформления, может также решаться задача подбора головки из числа имеющихся в распоряжении и т.д.

Отметим, что все сказанное справедливо, если известны точные значения параметров головки f₀, V_э, Q. Однако обычно, даже зная тип головки и значения ее параметров (табличные), невозможно сказать уверенно, каковы параметры данного экземпляра головки. Для решения задач в этом случае используют графики на Рис. 46—48. Единственный параметр, который надо знать точно,— резонансная частота головки без оформления f₀. Определение этого параметра незатруднительно и полученные результаты обычно устойчивы. Рисунки 46—48 различаются тем, что построены для фиксированных значений спада частотной характеристики, не превышающих соответственно 6, 12 и 18 дБ. На каждом Рисунке представлены области изменения значений Q и V_э/V в зависимости от f_гр/f₀. Значение Q и V_э/V могут быть любыми внутри заштрихованных фигур на рисунках.

Пример расчета

Пусть допустимый спад на частоте f_гр=60 Гц не превышает 6 дБ, f₀ головки (измеренное) = 30 Гц и V_э (табличное) = 100 л.

Пользуясь Рис. 46, из точки ω_гр/ω₀=60/30=2 восстанавливаем ординату, которая пересечет заштрихованные области Q и V_э/V. Значение V_э/V можно выбрать в пределах 3—13, а значение Q в пределах 0,24—1,0. Если выбранные значения V_э/V и V_э/V почему-либо не устраивают, можно менять либо граничную частоту, либо спад.

Рассчитать закрытую АС можно не только по графикам, но и по приведенным формулам.

Пусть, например, требуется рассчитать объем закрытой АС с нижней граничной частотой 50 Гц, имеющей головку 10ГД-36 (f₀=38 Гц, V_э=60 л, Q=0,8).

1. Определяем объем оформления из (36): V=60•10^-3/[(50/38)²-1]=83 л.

2. Находим добротность головки в закрытом оформлении из (38):

Q₀₁=0,8•√1+60/83 = 1,05.

В соответствии с Рис. 39 минимальная неравномерность частотной характеристики имеет место при Q₀=1. Так что полученная неравномерность частотной характеристики из-за пика на частоте ω₁ практически минимальна и составляет всего около 1,5 дБ. Параметры современных отечественных серийно выпускаемых закрытых АС приведены в табл. П.2 приложения. Рекомендации по практическому выполнению АС можно найти далее.