Рупоры. Проектирование рупорных громкоговорителей 2. Проектирование рупорныхгромкоговорителей
 Скачать 216.42 Kb.
|
|
Проектирование рупорных громкоговорителей Часть 2 В предыдущей части статьи выделены физические принципы, лежащие в основе действия рупоров, и показано, как, следуя некоторым основным правилам, получить от рупоров звучание потрясающей ясности и реализма. Однако (и это тоже очевидно), что, если кто-либо не готов сооружать и эксплуатировать чрезвычайно большие и дорогостоящие конструкции, при попытке уменьшить размеры до более приемлемых можно элементарно растерять многие из потенциальных качеств рупоров. Дальнейшее обсуждение посвящено способам, принятым при проектировании корпусов для рупорного оформления. Уже было заявлено, что рупор ведет себя как трансформатор, преобразовывая акустическую энергию от высокого давления и низкой колебательной скорости в районе горла к низкому давлению и, соответственно, высокой скорости на выходе устья. По аналогии с электрическим трансформатором, в котором электрическое напряжение и ток соответствуют акустическому давлению и скорости, основные требования акустического рупора таковы: • (а) горло должно быть правильно согласовано с источником сигнала (головкой громкоговорителя); • (б) устье должно быть правильно согласовано с нагрузкой в виде объема воздуха в помещении прослушивания; • (в) рупор должен функционировать в определенном диапазоне входной мощности и частоты. Есть четыре основных параметра рупора, а именно = площадь устья, площадь горла, характеристики профиля расширения и длина. Любые три из них определят четвертый, и, следовательно, непосредственно характеристики рупора. Как только выбирается сечение некруглой формы и ось, отличная от прямой, проблема становится гораздо более сложной, причем математических и физических концепций для проектирования уже недостаточно. Тем не менее, основные характеристики даже свернутых рупоров в большой степени определены известными акустическими принципами, и наиболее эффективный метод проектирования состоит в том, чтобы исходить из этих принципов. При этом любое отклонение от теории, по возможности, должно быть научно обосновано. Профиль расширения В предыдущей части обсуждались наиболее распространенные формы рупоров, и было показано, что контур, который дает экспоненциальное увеличение площади фронта волны от горла до устья, обеспечивает лучший компромисс между чрезвычайно плавным расширением гиперболы (оптимальная нагрузка динамика, но чрезмерные искажения у горла) и быстрым расширением параболических и конических рупоров (минимальные искажения, но недостаточная нагрузка для драйвера). Поскольку точная форма фронта волны в пределах рупора неизвестна, придется принять за отправную точку что-то между модифицированным экспоненциальным профилем Вилсона (близким к строго экспоненциальному) и тракт-риксой Войта (которая в начале близка к экспоненте, но существенно отличается от нее в области устья). Выбор какого-либо конкретного контура в значительной степени вопрос личного предпочтения, основанного, в первую очередь, на собственном слушательском опыте. Геометрия устья Устье соединяет собственно рупор с окружающим пространством = помещением прослушивания. Одним из наиболее часто упоминаемых недостатков рупоров является то, что для полноценного воспроизведения баса они требуют устья очень большой площади. До некоторой степени это справедливо: нельзя получить контрабас из флейты-пикколо. Вместе с тем существует множество способов, при помощи которых можно уменьшить площадь устья до приемлемых размеров, не принося в жертву отдачу в области баса. До тех пор, пока звуковые волны путешествуют внутри постепенно увеличивающегося рупора, они не встречают на своем пути каких-либо неоднородностей. Очевидно, что, если только длина и диаметр рупора не являются бесконечными, наступает момент, когда звуковая волна покидает устье. Хотя частота среза экспоненциального рупора определена постоянной расширения, линейность зависимости акустического сопротивления от частоты определяется площадью устья, которая (для выбранной площади горла и постоянной расширения) определяет полную длину рупора. Строго говоря, для отсутствия неоднородности устье должно иметь бесконечно большую площадь. Однако Олсон показал, что, если периметр устья четырехкратно превосходит длину волны на низшей рабочей частоте, то акустическое сопротивление устья не будет существенно отличаться от случая бесконечно большого рупора. Более важное следствие = то, что, если смириться с небольшим уменьшением акустического сопротивления (на 6dB), периметр устья может быть сделан равным длине волны на частоте среза, то есть площадь устья будет равна где λс = длина волны на частоте среза. По мере уменьшения площади ниже этого значения нелинейность акустического сопротивления будет увеличиваться. Эти значения относятся к ситуации, когда рупор находится в свободном пространстве, то есть угол излучения составляет 4π стерадиан. Практически такая ситуация никогда не встречается. Даже если бы рупор был помещен в центре бесконечной плоскости, излучение будет происходить только в половину пространства, то есть, телесный угол будет 2π стерадиан; при расположении в центре стены угол будет составлять π стерадиан, а в углу, сформированном двумя стенами и полом, устье будет излучать только в область π/2 стерадиан. Вывод заключается в том, что минимальная площадь устья для круглого рупора оказывается при излучении в телесный угол 4π стерадиан, и это значение может быть уменьшено вдвое каждый раз, когда телесный угол делится на два. Таким образом, площадь устья может быть уменьшена до более приемлемого размера. Например, рупор с частотой среза 56 Гц (длина волны 6.1 м) потребовал бы устья площадью 3 кв. метра в случае свободного пространства, 0,74 кв. метра при размещении напротив стены, и всего 0,37 кв. метра = в углу, при этом отклонение акустического сопротивления будет меньше, чем 6dB. Рис.8. Телесные углы, в которые излучает рупор при разном расположении Ситуацию, которая проиллюстрирована на рис. 8, можно сравнить с устьем единственного рупора, помещенного в точку пересечения восьми комнат: четыре на одном этаже и четыре на другом. Даже притом, что слушатель в каждой комнате будет видеть только восьмую часть от полной площади устья, отдача в области баса останется на уровне ¦полноразмерного¦ рупора. Редко бывает так, чтобы что-либо доставалось бесплатно, и тем, кто для расширения диапазона в области баса выбирает угловое расположение громкоговорителя и использует при этом корпус минимально возможного размера, вероятно, придется смириться с призвуками, которые могут возникнуть вследствие такого расположения. При виде сверху на план помещения с угловым рупором понятно, что сама комната обеспечивает естественное продолжение устья рупора. Многие слушатели отмечают, что укороченные угловые рупоры воспроизводят басовые ноты гораздо ниже теоретического предела, обусловленного размером устья. Это провоцирует на то, чтобы уменьшить площадь устья больше установленного ранее ограничения в 3dB, и вместо этого рассчитывать на размещение непосредственно в углу, чтобы ¦виртуально¦ увеличить площадь и длину рупора. Но применение этого способа не может быть рекомендовано, потому что, хотя отдача в области баса действительно сохраняется, внимательное прослушивание показывает, что в области первых двух октав выше частоты среза наблюдается неравномерность, которая часто сводит на нет реализм, присущий рупорам. Поэтому в случаях, когда размер корпуса ограничен, рекомендуется корректно спроектированный рупор с более высокой частотой среза, скажем, 80 Гц. Он обеспечит большую линейность и удовольствие от прослушивания, чем укороченный рупор, для которого постоянная расширения выбрана, исходя из частоты среза 40 Гц, но при этом длина ограничена так, чтобы площадь устья соответствовала частоте среза 80 Гц. Рис. 9. Искажения, вызванные воздушной перегрузкой в горле Большинство рупоров домашнего использования для простоты и дешевизны в изготовлении имеют прямоугольное сечение. Предшествовавшие комментарии относительно рупоров круглого сечения применимы и к прямоугольным, хотя ясно, что в углах фронт волны должен вести себя более сложным образом, в связи с чем эффективная площадь в случае прямоугольного сечения слегка уменьшается. При условии, что отношение размеров сторон устья не превышает 4:3, прямоугольные рупоры могут давать хорошие результаты. Табличные данные для проектирования приведены для рупоров как прямоугольного, так и круглого сечения, рассчитанных для случаев углового (π/2 стерадиан) расположения, а также возле стены (π стерадиан). Геометрия горла Горло рупора служит для передачи фронтов волн от громкоговорителя, которые в горле в идеале имеют плоскую форму, непосредственно в рупор. Выше было показано, что рупор является акустическим транформатором, преобразующим акустическое излучение с высоким давлением и малой колебательной скоростью в горле в низкое давление и высокую колебательную скорость в устье. Очевидное преимущество высокого давления и, соответственно, низкой колебательной скорости в устье состоит в том, что при низкой скорости уменьшается амплитуда смещения диффузора, что, в свою очередь, снижает искажения, вызванные нелинейностью магнитного поля и подвеса. Одним из способов увеличения давления, а также наибольшего ¦уплощения¦ формы фронта звуковой волны состоит в том, чтобы выбрать площадь горла существенно меньшей величины, чем площадь диффузора громкоговорителя. Тесты, проведенные со многими громкоговорителями, показывают, что ¦эффективная площадь диффузора¦ составляет приблизительно 70% от излучающей площади диффузора, то есть, диффузор громкоговорителя, выполненный в виде усеченного конуса, имеет такую же отдачу, как диффузор плоской формы, площадь которого составляет 70% от площади конусного диффузора. Есть множество причин, по которым диффузоры современных громкоговорителей не делают плоскими. Одним из нежелательных последствий использования конусных диффузоров является то, что излучаемые ими волны имеют неплоскую форму. Однако эмпирическим путем установлено, что при площади горла, составляющей от 1/4 до 1/2 эффективной площади диффузора, удается обеспечить удовлетворительное согласование между громкоговорителем и рупором, а также обеспечить приблизительно плоскую форму звуковых волн, если их длины существенно превышают размеры горла. Следует подчеркнуть, что для более высоких частот, когда длина волны сопоставима с физическими размерами диффузора громкоговорителя, площадь горла нужно выбирать такой же величины; при этом для устранения стоячих волн рупор должен быть круглого сечения, по крайней мере, в районе горла. Явление искажений воздушной перегрузки вызвано нелинейными отношениями между давлением и объемом воздуха в горле рупора вследствие того, что процесс расширения и сжатия происходит по адиабатическому закону. Беранек получил отношения для коэффициента второй гармоники в горле бесконечного экспоненциального рупора: % 2-ой гармоники = 1.73(f / fc)It x 10 -2 где f = частота, fc = частота среза, It = удельная мощность (ватт/кв. дюйм) в горле. Это выражение дает близкие к истине значения и для рупоров конечной длины, потому что искажения в основном возникают около горла. Это выражение в графическом виде представлено на рис. 9, откуда можно определить площадь горла для выбранного значения мощности и коэффициента искажений. Важно понять, что акустическая мощность, излучаемая музыкальными инструментами, чрезвычайно мала, и, что чем выше частота, тем более низкая акустическая мощность требуется для того, чтобы вызывать одинаковую субъективную громкость, воспринимаемую человеческим ухом. За исключением большого симфонического оркестра и органа (которые вообще бесполезно пытаться воспроизвести в домашних условиях, хоть сколько-нибудь приближаясь к их нормальному уровню громкости), уровни акустической мощности чрезвычайно малы. Если, скажем, задаться значением 3 Вт при 1 % искажения для частоты среза, то на частоте в четыре раза большей это даст значения 0.05 Вт и 0.5 % искажений, чего для обычных повседневных прослушиваний вполне достаточно. Вышеупомянутые предложения о мощности и искажениях в соответствии с рис. 9 дают значение площади горла примерно 10 кв.см, что неплохо для случая громкоговорителя размером 3 1/2 дюйма, который имеет эффективную площадь 43 кв.см (ее четверть как раз составляет чуть более 10 кв.см). Конечно, если площадь горла увеличить, как это происходит в случае с большими по размеру громкоговорителями, то и допустимая мощность при заданном уровне искажений также увеличится. Установив значения площади горла, устья и постоянной расширения, длину рупора (и, следовательно, его площадь в любой точке) можно рассчитать математически или графически. Рупор как фильтр В предыдущих разделах показано, как рупор может действовать в качестве полосового фильтра = нижняя граничная частота определена коэффициентом расширения, а верхняя = объемом камеры между громкоговорителем и горлом. Важно, что в этой полосе частот характеристики рупора очень линейны. Кроме того, при тщательном выборе нижней граничной частоты и площади горла, с учетом будущего местоположения, можно гарантировать, что нелинейность и искажения, создаваемые рупором на низких частотах, окажутся на очень малом уровне. На более высоких частотах, превышающих частоты среза примерно в четыре раза, вследствие внутренних переотражений и стоячих волн становится очевидным увеличение амплитуды нелинейных искажений внутри рупора. Нелинейности будут еще выше, если материал, из которого изготовлен рупор, имеет свойство резонировать, а также в случае свернутых рупоров, когда волновые фронты на более высоких частотах искажаются в изгибах. Фактически есть определенный предел, выше которого использование свернутого рупора становится нежелательным: не должно быть изгибов далее той точки, в которой длина волны наивысшей воспроизводимой частоты превышает 0.6 текущего диаметра. Относительно этого ограничения будет сказано более подробно в процессе обсуждения способов сворачивания, но уже ясен практический предел самой высокой частоты, которую рупор может точно воспроизвести. Дальнейшее ограничение становится очевидным из графика зависимости искажений в горле от частоты (рис. 9). По мере увеличения частоты процент искажений в горле для заданной мощности также увеличится, и, хотя известно, что в большинстве сложных музыкальных звуков с увеличением частоты уровень энергии уменьшается, все же, начиная с какой-то определенной частоты, искажения в горле станут недопустимыми. Обычно используется простое, но весьма адекватное правило ¦на пальцах¦ = рупор не должен воспроизводить более четырех октав выше своей низшей граничной частоты. Хотя при этом пуристы порой предпочитают ограничивать диапазон только тремя октавами, чтобы гарантировать еще более низкие уровни искажений. Полная ¦многорупорная¦ система Максимальный диапазон частот, который может воспроизвести высококачественный широкополосный громкоговоритель, составляет приблизительно 9 октав, то есть от 40 Гц до 20 кГц. Ясно, что, по причинам, отмеченным выше, для одного единственного рупорного громкоговорителя это слишком широкий диапазон. Но он может быть удобно разделен на три поддиапазона, то есть: 40 Гц - 320 Гц, 320 Гц - 2,5 кГц и 2,5 кГц = 20 кГц. На практике следует предусмотреть 10 % перекрытие поддиапазонов по частоте, чтобы избежать каких-либо ¦аномалий¦ в областях раздела. Для воспроизведения еще более широкого диапазона частот может использоваться четы-рехрупорная система. Стоит рассмотреть и более скромный вариант. Если полосу частот ограничить значениями от 80 Гц до 18 кГц и рассматривать систему с двумя рупорами, каждый из которых работает в полосе чуть менее четырех октав, то поддиапазоны частот станут от 80 Гц до 1,2 кГц и от 1,2 кГц до 18 кГц. Опять же, необходимо обеспечить 10 % перекрытие поддиапазонов по частоте. Большая привлекательность такой двухрупорной системы состоит в том, что требуется единственный громкоговоритель: басовый рупор будет нагружать тыльную сторону диффузора, в то же время фронтальная сторона будет работать на средне/высокочастотный рупор. Тем самым устраняются эффекты интерференции и дифракции, возникающие из-за корзины и магнита. Уже было подчеркнуто, что на более высоких частотах горло рупора должно точно соответствовать размерам громкоговорителя, и это особенно привлекательно в случае использования двухконусного излучателя. Для предотвращения попадания высокочастотных звуковых волн в басовый рупор используется предрупорная камера. Слушатели-максималисты могут возразить, что диапазон частот от 80 Гц до 18 кГц недостаточен. Однако по опыту, линейное воспроизведение данного диапазона с небольшими искажениями, а также эффект присутствия, обеспечиваемый рупорными системами, делают такую ¦минирупорную¦ систему очень привлекательной с точки зрения качества звучания, а также относительной простоты и невысокой стоимости. Как только принят многополосный подход, сразу возникает множество вариантов выбора частот раздела. Например, 320 Гц и 2,5 кГц в случае трехполосной системы, и 1,2 кГц для системы с двумя рупорами. Существенно то, что излучение от пары рупоров в районе частоты раздела должно быть согласовано по фазе, в противном случае амплитудно-частотная характеристика в этих областях будет неровной. Особенно это касается басового рупора, поскольку он свернут таким образом, чтобы его устье оказалось расположенным по соседству с остальными рупорами (сворачивать средне- и высокочастотные рупоры обычно нет необходимости, да и вообще нежелательно). Это требование накладывает дополнительное ограничение на длину рупора, которая до сих пор определялась исключительно исходя из диаметра горла и устья, а также постоянной расширения. Теперь очевидно, что длина более низкочастотного рупора каждой пары должна составлять либо четное, либо нечетное число длин волн на частоте раздела, в зависимости от того, включены ли излучатели этих двух рупоров, соответственно, в фазе или противофазе. Таким образом, если используются отдельные громкоговорители, и звуковые катушки включены в фазе, то общая длина рупора от громкоговорителя до плоскости устья должна составлять четное число половин длины волны. Напротив, если используется единственный громкоговоритель, нагруженный на два рупора, излучения от передней и задней сторон диффузора будут в противофазе, поэтому общая длина двух рупоров должна равняться нечетному числу половин длины волны. На практике, общие габариты конструкции будут определяться, в основном, более низкочастотным рупором, поскольку он имеет значительно большую длину. Сворачивание, корпуса и размещение в помещении До последнего момента обсуждение ограничивалось рассмотрением идеальных рупоров: круглого сечения, прямолинейных и изготовленных из очень жесткого материала. Хотя типичные размеры практических рупоров формально еще не рассчитывались, из многочисленных таблиц и диаграмм будет ясно, что габариты басовых рупоров почти наверняка окажутся слишком большими для удобного размещения в обычной комнате. Поэтому в процедуру проектирования должны быть добавлены два дополнительных этапа: приведение сечения рупора к прямоугольному, а также его сворачивание до компактного размера. Рэлей показал, что изгибы в трубах постоянного сечения не будут оказывать никакого воздействия на передаваемые звуки, если длина волны больше, чем диаметр, но любые возникающие внутри трубы взаимные колебания будут иметь основную частоту, соответствующую длине волны, равной 1,7 диаметра трубы. Вил-сон сформулировал три основных правила для свернутых рупоров: • фронты волн не должны искривляться поперек рупора; • диаметр рупора (ширина для прямоугольного) должен быть меньше, чем 0,6 от длины волны самых низкочастотных звуков, которые будут проходить через этот рупор; • фронт волны для сохранения формы должен проходить через скругленные изгибы. Как только происходит отклонение от прямолинейности и круглого сечения, все вышеописанные научные принципы проектирования прекращают быть истиной в последней инстанции и приобретают скорее рекомендательный характер; хотя три основных правила, указанных выше, в сочетании с грамотным выбором соответствующего (прежде всего, по жесткости) материала для строительства обеспечивают очень достойные результаты. Способ сворачивания, который предусматривает искривление фронта волны в разных плоскостях, исключительно труден при практическом воплощении, поэтому его применения желательно избегать, используя свертывание только в одной плоскости. Требование ¦ускорить фронт волны вокруг изгиба для сохранения его формы¦ является труднодостижимым, когда присутствует более чем один изгиб, поскольку это требует, чтобы прямоугольное сечение до изгиба становилось трапецевидным непосредственно вокруг изгиба, после чего возвращалось к прямоугольному сечению, но уже другой формы (и площади). В действительности для многократно изгибающихся рупоров это непрактично и, более того, не нужно, потому что последующие изгибы исправляют форму волны. Но в случае, если изгиб только один, указанный подход может быть вполне применим. Рис. 10. Способы сворачивания рупоров: (а) Олсон; (b) Масса; (с) Лоутер; (d) Ньюкомб; (е) Клипш. Зарегистрированные в течение 1920-30-ых годов записи Патентного Бюро, касающиеся конструкций свернутых рупоров, представляют собой прекрасный памятник изобретательности разработчиков акустических систем, и их изучение является поистине увлекательнейшим занятием. Рис. 10 иллюстрирует несколько наиболее хорошо известных способов сворачивания. Исходя из ограничения на ширину рупора, которая в изгибе не должна быть более 0,6 от наибольшей длины волны передаваемого звука, изначально предполагается, что сворачивание может быть использовано только в самом начале рупора на протяжении первых нескольких десятков сантиметров его длины; с определенной точки ширина достигает вышеупомянутого ограничения. Однако это ограничение может быть преодолено следующим способом: после каждой точки, где возникает ограничение по ширине, рупор раздваивается на два одинаковых тоннеля. Такая конструкция называется bifurcating (разветвленный, раздваивающийся). Таким образом, устье рупора может состоять, например, из четыре равных частей, соединенных для удобства и сохранения звукового реализма. Каждый из таких четырех ¦четверть-рупоров¦ может быть свернут гораздо ближе к устью, чем в исходном случае одного большого рупора. Рэлей в ст. 264 показал, что раздваивающийся тоннель не оказывает никакого эффекта на передачу звука в случае, если длины каждой из двух частей равны, а также если сумма их площадей в соответствующих точках равна площади первоначального тоннеля. Во многих случаях передняя сторона громкоговорителя, обратная сторона которого нагружена на рупор, будет физически расположена в непосредственной близости от устья этого рупора. В связи с этим возникает опасение, что будет происходить подавление некоторых частот, вызванное интерференцией между двумя сигналами, излучаемыми в противофазе. Однако, поскольку прямое излучение передней части диффузора составляет всего несколько процентов от излучения из рупора, величина такого подавления окажется незначительной. Обработка частот Как уже было показано, каждый рупор работает в качестве акустического полосового фильтра, низшая граничная частота которого определяется постоянной расширения, а верхняя = объемом предрупорной камеры. Тем не менее, существуют важные причины, по которым широкополосный звуковой сигнал не должен подаваться непосредственно на все рупоры, независимо от рабочей полосы частот каждого из них. Изучение низкочастотной части спектра на рис. 3 (см. предыдущую часть статьи) показывает, что ниже частоты среза в акустической нагрузке, обеспечиваемой рупором, отсутствует активная составляющая. Таким образом, любые сигналы, имеющие частоту ниже граничной, вызовут чрезмерное смещение диффузора громкоговорителя, величина которого будет ограничена только механическими и электромагнитными факторами. Избыточное перемещение означает, что громкоговоритель работает вне своего линейного диапазона. Это может вызывать высокие интермодуляционные, а также другие виды нелинейных искажений. В верхней части спектра частот сигналы чрезмерной мощности могут также вызывать искажения из-за особенностей взаимодействия предрупорной камеры и горла. Поэтому выгодно ограничить полосу пропускания электрического сигнала, попадающего на каждый громкоговоритель, так, чтобы она соответствовала ¦акустической¦ полосе частот соответствующего рупора. Рис. 11. Схема активной фильтрующей цепочки. Значения емкостей и сопротивлений элементов приведены в приложении Хотя большинство многополосных коммерческих систем для разделения полосы частот, достигающих каждого динамика, используют пассивные LC кроссоверные цепочки между усилителем мощности и громкоговорителем, внимательные сравнительные прослушивания показывают, что эти устройства явно вносят в итоговое звучание дополнительную ¦вялость¦ или ¦потерю блеска¦. Существует много объяснений и предположений о причинах таких явлений; наиболее вероятной из них является потеря ¦прямой связи¦ с выходом усилителя, сопровождающаяся существенным уменьшением степени электрического демпфирования, обеспечиваемого низким выходным сопротивлением усилителя. Существует другой хорошо известный подход, при котором деление полосы частот входного сигнала осуществляется на низком уровне, после чего для каждого диапазона частот используется отдельный усилитель мощности, непосредственно соединенный со своим громкоговорителем. Кроссоверный блок состоит из трех (или четырех) параллельно включенных частотно-зависимых каналов, включающих активные фильтры Саллена-Ки, обеспечивающих заданные характеристики фильтров низких и высоких частот. В каждом канале используется небольшая регулировка усиления, чтобы учесть неизбежную разницу в чувствительности каждой комбинации ¦громкоговоритель/рупор¦. Активные фильтры обеспечивают характеристику фильтра Баттерворта 2-ого порядка, который, похоже, дает наименее выраженные неприятные эффекты в области частоты раздела. (Любая фильтрующая цепочка неизбежно вызывает фазовые сдвиги, влияние которых на переходные процессы приводит к заметным различиям в характере их звучания.) Таким образом, в общем случае дополнительно к ¦акустическому кроссоверу¦, предоставляемому собственно рупором, необходим также электрический, в той или иной форме. Исключение имеет место в том случае, когда единственный громкоговоритель нагружен на два рупора: один с передней стороны диффузора, другой = с задней. В этой ситуации придется пойти на некоторый компромисс, касающийся приемлемого уровня искажений и полосы пропускания системы. Направленные рупоры В статье уже отмечена исключительная способность рупора излучать фронты волн, которые являются почти плоскими в его устье. Однако иногда желательно, чтобы фронт волны обладал различными характеристиками направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, особенно если средне- и высокочастотные рупоры используются в стереофонических системах. Часто требуется расширить диаграмму направленности в вертикальной плоскости, при этом максимально сохранив характеристику ¦точечного источника¦ в горизонтальной. Для достижения этого есть множество различных методов, основанных на явлениях дифракции и преломления, происходящими в устье рупора со звуковыми волнами сравнительно малой длины (несколько дюймов и меньше), с которыми эти высокочастотные рупоры имеют дело. Проектирование и изготовление рупоров, использующих вышеперечисленные эффекты, выходят за рамки этой статьи, да и вполне вероятно, за пределы способностей большинства конструкторов-любителей. Заинтересовавшиеся могут обратиться к публикациям Смита (Smith), Винслоу (Winslow) и к соответствующим главам монографий Олсона и Коэна (Cohen). В описанном Клипшем проекте своего высокочастотного рупора отношение длины/ширины прямоугольного устья принимает значение более 4:1. Оптимальные измерения, отношение длины к ширине и пропорциональное расширение по длинной и короткой оси зависят от ряда сложных факторов. Было, однако, установлено, что хорошие практические результаты получаются при соотношении сторон устья от 2:1 до 4:1, при этом ¦раскрыв¦ по осям происходит в подобном же соотношении. Процесс проектирования: шаг за шагом В предыдущих разделах с некоторой степенью детальности рассматривались основы теории рупорного оформления, а также выделялись существенные моменты проектирования разных видов рупоров, которые могут охватывать полный звуковой диапазон. В заключительной части в качестве иллюстрации будет детально рассмотрен проект ¦минирупора¦. Поскольку все рупоры разрабатываются исходя из несколько отличающихся требований, многие читатели наверняка захотят изменить спецификации в большей или меньшей степени, чтобы удовлетворять свои потребности. Поэтому информация о проектах представлена в виде таблиц так, чтобы с их помощью было возможно рассчитать рупоры для самого широкого диапазона применений. Расчет басового рупора В первую очередь проектируют басовый рупор, начиная с устья. Таблицы 1, 2 и 3 указывают отношения между минимальной частотой и размерами устья для рупоров, помещенных в свободном пространстве (телесный угол 4π стерадиан), у стены (π стерадиан) и в углу (π /2 стерадиан). В таблице 1 скорость звука принята равной 343 м/с, а периметр устья = равным длине волны. Площади устья в таблицах 2 и 3 равны 1/4 и 1/8 от соответствующей площади устья для свободного пространства, а измерениях для устьев круглого, квадратного и прямоугольного сечения получены из этих площадей. Возникает соблазн уменьшить площади квадратных и прямоугольных рупоров, чтобы обеспечить равенство периметра длине волны (соответственно расположению у стены или в углу), но так поступать не рекомендуется. Тем не менее, более короткая сторона прямоугольного рупора получена именно таким образом (то есть квадратный рупор со сторонами такого размера будет иметь соответствующий периметр). Таблица 1. Минимальные размеры устья басового рупора для случая свободного размещения Частота, Гц Длина волны, м Диаметр, м Площадь, м2 30 11,43 3,64 10,42 40 8,58 2,73 5,85 50 6,86 2,18 3,75 60 5,72 1,82 2,60 70 5,10 1,56 1,92 80 4,29 1,37 1,47 90 3,81 1,21 1,16 100 3,43 1,09 0,94 110 3,12 0,99 0,77 120 2,86 0,91 0,65 = Таблица 2. Минимальные размеры устья басового рупора (круглого, квадратного и прямоугольного сечения) для случая расположения у стены Частота, Площадь, Диаметр, Сторона квадрата, Стороны Гц м2 м м прямоугольника, м 30 2,60 1,82 1,61 1,43x1,82 40 1,47 1,37 1,21 1,07x1,36 50 0,94 1,09 0,97 0,86x1,09 60 0,65 0,91 0,81 0,71x0,91 70 0,48 0,78 0,69 0,61x0,78 80 0,37 0,68 0,61 0,54x0,68 90 0,29 0,61 0,54 0,48x0,61 100 0,23 0,55 0,48 0,43x0,55 110 0,19 0,49 0,44 0,39x0,49 120 0,16 0,45 0,40 0,36x0,45 = Таблица 3. Минимальные размеры устья басового рупора (круг- лого, квадратного и прямоугольного сечения) для случая распо- ложения в углу Частота, Площадь, Диаметр, Сторона квадрата, Стороны Гц м2 м м прямоугольника, м 30 1,30 1,29 1,14 1,01x1,29 40 0,73 0,96 0,85 0,76x0,96 50 0,47 0,77 0,69 0,61x0,77 60 0,33 0,64 0,57 0,51x0,64 70 0,24 0,55 0,49 0,43x0,55 80 0,18 0,48 0,42 0,38x0,48 90 0,14 0,43 0,37 0,34x0,43 100 0,12 0,39 0,35 0,30x0,39 110 0,097 0,35 0,31 0,28x0,35 120 0,081 0,32 0,28 0,25x0,32 После того, как установлены размеры устья, исходя из выбранного громкоговорителя, может быть рассчитано горло. Таблица 5 предлагает варианты площади горла для громкоговорителей пяти распространенных размеров. В некоторых проектах выбор громкоговорителя будет происходить, исходя из соображений полного размера (для самого маленького громкоговорителя длина рупора окажется наибольшей), а также в зависимости от того, должен ли громкоговоритель воспроизводить, помимо баса, все остальные частоты, используя два отдельных рупора с обеих сторон. Эффективная площадь диффузора была принята равной 0,7 от его площади, рассчитанной из среднего диаметра, а площадь горла взята как 0,3 от эффективной площади. Указанные размеры должны дать вполне приемлемые результаты, хотя, безусловно, сохраняются широкие возможности для экспериментов. Таблица 4. Экспоненциальные постоянные для басового рупора Частота, Частота среза, Постоянная Расстояние Гц Гц расширения удвоения площади, м 30 25 0,91 0,76 40 33 1,22 0,57 50 42 1,53 0,45 60 50 1,83 0,38 70 58 2,13 0,33 80 66 2,44 0,29 90 75 2,75 0,25 100 84 3,05 0,23 110 92 3,36 0,21 120 100 3,66 0,19 = Таблица 5. Размеры горла Номинальный Площадь, Эффективная Площадь размер см2 площадь, горла, динамика, см2 см2 (дюймы) 3.5 62 43,5 13 5 127 89 26 6.5 214 150 45 8 324 227 68 10 507 355 106 = Таблица 6. Длина басового рупора (м) для разных значений постоянной расширения в случае расположения у стены. Ех - экспоненциальный, Тr - трактрикса (ориентировочное значение): Частота, 3.5¦ 5¦ 6.5¦ 8¦ 10¦ Гц Ех Тr Ех Тr Ех Тr Ех Тr Ех Тr 30 8,33 7,66 7,53 6,86 6,98 6,31 6,53 5,86 6,04 5,37 40 5,86 5,37 5,25 4,76 4,82 4,33 4,48 4,00 4,12 3,63 40 4,30 3,90 3,84 3,45 3,51 3,11 3,23 2,84 2,93 2,53 60 3,42 3,08 3,01 2,68 2,74 2,40 2,50 2,17 2,26 1,93 70 2,80 2,51 2,46 2,17 2,21 1,92 2,01 1,73 1,81 1,52 80 2,35 2,08 2,04 1,78 1,83 1,57 1,66 1,40 1,47 1,21 90 1,98 1,75 1,71 1,49 1,53 1,30 1,37 1,15 1,21 0,99 100 1,70 1,50 1,46 1,26 1,30 1,09 1,16 0,96 1,01 0,81 110 1,50 1,31 1,27 1,09 1,13 0,94 1,00 0,82 0,87 0,68 120 1,32 1,16 1,12 0,95 0,99 0,82 0,87 0,70 0,75 0,58 Зная площади горла и устья, по таблицам 6 и 7 можно определить полные длины рупоров истинно эк- поненциального и ¦трактриксового¦ профилей, расположенных возле стены и в углу. Эти длины приводятся для разных значений постоянной расширения, а также нескольких частот среза (как указано в таблице 1). Для того, чтобы гарантировать линейность рупора во всем рабочем диапазоне, при вычислении коэффициента расширения в таблице 4 для нижней граничной частоты используется поправочный коэффициент 1,2. Таким образом, постоянная расширения где с = скорость звука (343 м/с), и f= низшая воспроизводимая частота. N.B. Указанные в таблицах 6 и 7 длины рупоров с профилем трактри-кса = приближенные, основанные на полном ¦трактриксовом¦ контуре, рассчитанном на основе постоянной расширения и радиуса устья, определенных исходя из самой низшей воспроизводимой частоты. Проектирование средне/высокочастотного рупора Теперь обратим внимание на рупоры, предназначенные для воспроизведения средних и высоких частот. Периметр устья не должен быть меньше, чем длина волны на самой низкой рабочей частоте, практически же для получения хороших результатов периметр выбирают в полтора раза большим. Таблица 8 основана на этом коэффициенте, она дает рекомендуемые минимальные размеры устья для случая расположения рупора в свободном пространстве. В отличие от случая басового рупора, на более высоких частотах самым безопасным будет исходить из предположения, что рупор нагружен на свободное пространство. Эффекты дифракции и отражения при коротких длинах волны не столь выражены, чтобы рассматривать расположение рупора у стены или в углу, и именно по этой причине периметр взят в 1,5 раза больше длины волны на самой низкой рабочей частоте. Размеры квадратных и прямоугольных рупоров были получены таким же образом, как и те, что в таблицах 2 и 3. Размеры горла средне- и высокочастотных рупоров должны соответствовать размеру собственно громкоговорителя, и могут быть определены исходя из среднего диаметра и площади выбранного громкоговорителя, как показано в таблице 7. Таблицы 9 и 10 дают значения постоянной расширения и длины экспоненциальных рупоров, подходящих к рупорам с размерами горла и устья, указанными в таблицах 5 и 8 соответственно. Объединение многополосных рупоров Ранее было подчеркнуто, что излучение из устьев каждой пары рупоров на их общей частоте раздела должно быть синфазным. Принимая во внимание, что устья всех рупоров будут находиться в одной плоскости, полная длина каждой пары рупоров должна быть кратной половине длины волны на частоте раздела. Если громкоговорители в обоих рупорах включены в фазе, полная длина должна быть кратна четному числу половин длины волны; если же излучения в горлах является противофазным (как в случае единственного динамика, нагруженного обеими сторонами на два рупора), то полная длина должна быть равна нечетному количеству половин длины волны. В случае необходимости, чтобы гарантировать оптимальные условия согласования, частоту раздела кроссовера можно изменить в небольших пределах, с последующей доработкой ¦более высокочастотного¦ рупора. = Таблица 7. Длина басового рупора (м) для разных значений постоян- ной расширения в случае расположения в углу: Частота, 3.5¦ 5¦ 6.5¦ 8¦ 10¦ Гц Ех Тr Ех Тr Ех Тr Ех Тr Ех Тr 30 7,56 6,89 6,77 6,10 6,22 5,55 5,76 5,09 5,28 4,60 40 5,28 4,79 4,67 4,18 4,24 3J5 3,90 3,42 3,54 3,05 40 3,84 3,45 3,39 2,99 3,05 2,64 2,77 2,37 2,48 2,07 60 3,03 2,70 2,64 2,30 2,36 2,02 2,13 1,79 1,88 1,55 70 2,47 2,18 2,12 1,84 1,89 1,60 1,69 1,40 1,47 1,19 80 2,06 1,80 1,74 1,49 1,55 1,28 1,37 1,11 1,19 0,92 90 1,72 1,50 1,46 1,24 1,27 1,05 1,12 0,90 100 1,47 1,27 1,24 1,03 1,07 0,87 110 1,29 1,10 1,07 0,89 120 1,13 0,97 = Таблица 8. Минимальные размеры устья средне/высокочастного ру- пора (круглого, квадратного и прямоугольного сечения) для случая расположения в свободном пространстве Частота, Длина Диаметр, Площадь, Сторона Стороны Гц волны, см см см 2 квадрата, см прямо угольника, см 200 171 82 5260 72,5 64,0x82,2 250 137 66 3373 58,0 51,5x65,5 300 114 55 2355 48,5 43,0x54,6 350 98 47 1715 41,5 36,8x46,7 400 86 41 1313 36,3 32,0x40,9 450 76 36 1036 32,2 28,7x36,3 500 69 33 843 29,0 25,6x32,8 550 62 30 693 26,3 23,4x29,7 600 57 27 580 24,0 21,3x27,2 700 49 23 429 20,7 18,3x23,4 800 43 21 332 18,2 16,0x20,7 900 38 18 262 16,2 14,3x18,3 1000 34 16 208 14,4 13,0x16,0 1100 31 15 175 13,3 11,7x15,0 1200 29 14 148 12,2 10,7x13,8 1300 26 12,5 121 11,0 10,0x12,1 1400 24 12 107 10,3 9,1x11,7 1500 23 11 93 9,7 8,6x10,9 2000 17 8 51 7,2 6,3x8,2 2500 14 6,6 34 5,8 5,1x6,6 = = Таблица 9. Экспоненциальные постоянные для средне/высокочастотных рупоров Частота, Частота Постоянная Расстояние Гц среза, Гц расширения удвоения площади, м 200 166 0,508 1,37 250 208 0,633 1,09 300 250 0,764 0,91 350 292 0,888 0,78 400 330 1,00 0,69 450 375 1,14 0,60 500 420 1,28 0,54 550 458 1,40 0,50 600 500 1,52 0,45 700 580 1,77 0,39 800 660 2,01 0,34 900 750 2,28 0,30 1000 840 2,56 0,27 1100 920 2,80 0,25 1200 1000 3,05 0,23 1300 1083 3,31 0,21 1400 1166 3,54 0,20 1500 1250 3,81 0,18 2000 1660 5,05 0,14 2500 2080 6,33 0,11 = Таблица 10. Длина средне/высокочастотного рупора (см) для случая размещения в свободном пространстве. Поскольку периметр устья принят равным 1.5 от наибольшей длины волны воспроизводимого диапазона, используется профиль трактрикса. Он же может применяться и в случае уменьшения периметра до одной длины волны Частота, Гц 3.5¦ 5¦ 6.5¦ 8¦ 200 78,5 66,8 58,2 51,6 250 57,2 47,8 40,9 35,6 300 43,5 35,6 30,0 25,5 350 34,5 27,7 22,8 19,0 400 28,2 22,3 18,0 14,6 450 23,0 17,9 14,1 500 19,3 14,7 11,2 550 16,5 12,3 600 14,1 700 10,8 800 8,4 900 6,6 Окончательный проект В общем случае басовый рупор будет свернутым. Первоначально планировалось предоставить таблицу, указывающую максимально допустимую длину рупора, начиная с которой изгибов быть не должно, потому что диаметр рупора стал равным 0,6 от длины волны самого низкочастотного воспроизводимого звука. Однако проверка показала, что до частот, в пять раз превышающих частоту среза (то есть в полосе пропускания, равной четырем октавам) в случае, если рупор расположен в углу это ограничение не достигается (из-за маленьких размеров устья); для случая расположения возле стены ограничение наступает в районе 92-95 % от полной длины экспоненциального рупора. Поэтому можно принять, что, если размещенный возле стены рупор не свернут в пределах последних 10 % своей длины, то проблема взаимных отражений вообще не будет возникать. Наконец, предрупорная камера у низкочастотного рупора должна быть рассчитана по уже приведенной формуле, при этом необходимо учесть потерю объема камеры из-за корзины, диффузородержате-ля и магнита самого громкоговорителя. Приложеиие Номиналы элементов схемы перестраиваемого активного полосового фильтра для использования в трехполосной системе (см. рис. 11). Все микросхемы, например, типа N5741V. R5 - 10 кОм, R6 - 22 кОм, R7 - 100 кОм. Фильтр низких частот Фильтр низких частот Частота R1, кОм R2, кОм С1,пФ С2, пФ 200 Гц 59 59 20000 10000 1 кГц 12 12 20000 10000 2 кГц 59 59 2000 1000 10 кГц 12 12 2000 1000 6 кГц 59 59 680 330 30 кГц 12 12 680 330 = R1 и R2 представляют собой последовательно соединенные постоянный резистор сопротивлением 12 кОм и переменный, сопротивлением 47 кОм. Фильтр высоких частот Фильтр высоких частот Частота R3, кОм R4, кОм СЗ, пФ С4, пФ 25 Гц 28 57 160000 160000 100 Гц 7 14 160000 160000 250 Гц 28 57 16000 16000 1 кГц 7 14 16000 16000 4 кГц 28 57 1000 1000 16 кГц 7 14 1000 1000 = R3 представляет собой последовательно соединенные постоянный резистор, сопротивлением 6,8 кОм, и переменный, сопротивлением 22 кОм. R4 = последовательно соединенные постоянный резистор, сопротивлением 12 кОм, и переменный, сопротивлением 47 кОм. |