Файл: Акустические системы, громкоговорители, стереотелефоны Термины и определения. Классификация.doc

6.2.3. Корпус акустической системы. Основные виды корпусов и их назначение.

Корпус акустической системы выполняет многообразные функции. В области низких частот он блокирует эффект «короткого замы­кания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхности диафрагмы в противофазе, что приводит к пода­влению низкочастотного излучения. Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах (рис.6. 13),а также увеличить механическое демпфирование громкого­ворителей, что позволяет «сгладить» резонансы и уменьшить неравномер­ность амплитудно-частотной характеристики. Корпус оказывает суще­ственное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот. Колебания стенок корпуса и дифракционные эффекты на краях вносят существенный вклад в увели­чение линейных и нелинейных искажений и качество звучания акустичес­ких систем. Именно поэтому вопросам проектирования корпусов акустических систем (выбору конфигурации, материала стенок, вибродемпфирующих и виброизоляционных покрытий и т. д.) все фирмы-производители уделяют чрезвычайно большое внимание.



Рис.6.13-влияние корпуса на "эффект короткого замыкания"
Наиболее распространенными типами низкочастотных оформлений , используемыми в конструкциях современных корпусов АС, являются: бес­конечный экран (infinitive baffle), закрытый корпус (closed box,acoustical suspensions,sealed box), корпус с фазоинвертором (vented-box,ported-box,bass-reflection и др.), лабиринт (labirinth), трансмиссионная линия (transmission-line), корпус с двойной камерой (bandpass systems), с пассивным радиатором (passive radiator, drone cone) и др.

Бесконечный экран (infinitive baffle) - строго говоря этот тип оформ­ления должен удовлетворять двум условиям: представлять бесконечно большую поверхность, в которой установлен громкоговоритель, и иметь большой задний объем. Максимальным приближением к такому офор­млению является установка громкоговорителя в стене комнаты с дос­таточно большим объемом за ним. Только при выпол­нении обоих условий обе­спечивается полное пред­отвращение эффекта ко­роткого замыкания и эффекта демпфирования колебаний со стороны воз­душного объема. Частот­ная характеристика гром­коговорителя в таком «истинно бесконечном экране» зависит от зна­чения его резонансной частоты и спадает со скоростью 12 дБ/окт .Следует, правда отметить, что отсутствие демп­фирования при установке громкоговорителя в такой вид оформления при­водит к эффекту «бубнения» на низких частотах (особенно слышимому у громкоговорителей больших размеров).

---

Использование конечных плоских экранов или «свернутых» экранов (т. е. открытых корпусов) в качестве оформлений, которые довольно широ­ко применялись в начальный период развития производства выносных аку­стических систем, требует использования экранов достаточно больших раз­меров. Минимальный размер, при котором не будет короткого замыкания, определяется соотношением: 2L=/2,где L — расстояние от центра до края экрана,  - длина волны. Например, для частоты 100 Гц, где длина волны = 3,4м, величина L составляет 0,85м. Если экран свернуть, т. е. перейти к открытому оформлению, то его размер можно уменьшить только процентов на тридцать, иначе получаются слиш­ком длинные боковые стенки (типа трубы), в которых возникают как резонанс­ные явления, так и дифракция на открытых краях, окрашивающие звук.

Поэтому в выносных АС такие типы оформлений практически не ис­пользуются, хотя встроенные в стены АС применяются достаточно часто (они обозначаются in-wall, in-ceiling infinitive baffle, wall-mount panel и т. д.).

Однако, этот термин «infinitive baffle» употребляется иногда для офор­млений типа «закрытый ящик» достаточно больших размеров, в которых не происходит сдвига резонансной частоты громкоговорителя по сравнению с излучением в свободное пространство (при этом отношение гибкости подвеса к гибкости воздуха должно быть меньше, чем 3).

Закрытый корпус (closedbox, acousticalsuspensions, sealedbox) –в современных акустических системах используются в основном закрытые корпуса компрессионного типа. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в них используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становиться определяющим фактором, именно она начинает вно­сить основной вклад в восстанавливающую силу, приложенную к диафраг­ме (при этом отношение гибкости подвеса к гибкости воздуха должно быть не меньше чем 3...4). Поскольку воздух - среда линейная (при относительно малых уровнях звукового давления), то это позволяет, кроме возможности уменьшить объем корпуса, уменьшить также нелинейные искажения. Низкочастотные громкоговорители для таких систем должны проек­тироваться особым образом (иметь большую гибкость подвеса, большую массу диафрагмы, особую конструкцию звуковой катушки и магнитной цепи для обеспечения больших смещений и т. д.). При правильно подобранных электромеханических параметрах ГГ и корпуса в акустических системах такого типа можно получить макси­мально гладкую форму, AЧХ на низких частотах обеспечить чистое, сухое звучание басов. Именно поэтому многие ведущие фирмы при создании АС категории HI-FI применяют корпуса закрытого типа

---

.

Корпус с фазоинвертором (vented-box, ported-box, bass-reflection и др.) -корпус, в котором сделано отверстие, что позволяет использовать излу­чение тыльной поверхности диффузора. Максимальный эффект дости­гается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и гибкостью воздуха в корпусе .

Наличие небольшого отверстия не нарушает компрессионного прин­ципа работы громкоговорителя в корпусе, но дает возможность значи­тельно увеличить уровень звукового давления на частоте резонанса (сра­внительная форма АЧХ в области низких частот показана на рис. 6.14), уменьшить уровень нелинейных искажений, значительно расширить воз­можности настройки параметров АС. Следует отметить, что наличие фазоинвертора требует значительно большего искусства при проектировании, так как неточная настройка приводит к появлению переходных искажений («затянутых басов»).



Рис.6.14-форма АЧХ в области низких частот:

а-закрытого корпуса,б-корпуса с фазоинвертором,в-корпуса с

пассивным излучателем.



Рис.6.15-корпус АС с различными вариантами фазоинверторов:

а-фазоинвертор,б-фазоинвертор с трубой,в-пассивный излучатель.
В современных моделях акустических систем используется доста­точно много разновидностей фазоинверсных систем:

• корпус, использующий специальную трубу, нагруженную на отвер­стие (ducted port enclosures) - это позволяет уменьшить размеры корпуса и с помощью регулировки размеров трубы улучшить настройку фазоинвертора (рис. 15).

• корпус с пассивным излучателем (passive radiator) - в отверстие кор­пуса устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкогово­ритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воз­духа, заключенного в корпус. Регулируя массу и гибкость такого гром­коговорителя можно получать такой же эффект, как и при настройке фазоинвертора (рис.6.15).

• лабиринт(labyrinth) или трансмиссионная линия (transmission line).Лабиринт представляет собой вариант низкочастотного корпуса с фа­зоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки, со­здающие своего рода лабиринт для потока воздуха. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громко­говорителя, он действует аналогично соответствующим образом настроен­ному фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Лабиринт обычно имеет серию резо­нансных пиков на гармониках, соответствующих основной резонансной частоте трубы. Они демпфируются размещением специальных звукопогло­щающих материалов на стенках корпуса (рис.6.16а).

---

Трансмиссионная линия является разновидностью лабиринта. В со­временных конструкциях акустических систем используются ее многочис­ленные разновидности (1/4wave tr.1- четвертьволновая трансмиссионная линия; 1-st order tr.1-трансмиссионная линия первого порядка; tapered tr.1-TAL- трансмиссионная линия с переменным сечением; TATL- трапецоидальняя трансмиссионная линия и т. д.).Трансмиссионная линия отличается от лабиринта тем, что звукопогло­щающим материалом забивается весь объем корпуса и поперечное сечение линии делается переменным - больше у конуса, меньше у отверстия (рис. 6.16, б). Звукопоглощающий материал подбирается таким образом, что­бы обеспечить демпфирование высокочастотных резонансов. Корпуса та­кого типа очень сложны для настройки, поэтому существуют их упрощен­ные варианты (типа tapered pipe), в которых используется просто труба пе­ременного сечения с обратным соотношением площадей - больше у диффузора, меньше у отверстия с заполнением объемным поглотителем.

• фазоинверсное оформление с двойной камерой (double -chamber) ( рис. 6.17, а ) или с несколькими камерами (multi-chamber port).Применение двойных или нескольких камер позволяет обеспечить со­гласование нагрузки с низкочастотным громкоговорителем в значительно более широком диапазоне частот. На амплитудно-частотной характеристи­ке такой системы отчетливо видны два резонансных пика - один соответ­ствует настройке низкочастотного громкоговорителя на полный объем двух камер, другой - на одну камеру, если эти камеры равных объемов, то эти частоты разделены ровно на октаву.

Обычно двойная камера имеет отделение одно в два раза больше другого. Оформления с двойными камерами обеспечивают большее демп­фирование колебаний громкоговорителей, что дает значительные преи­мущества при использовании их в мощных акустических системах, напри­мер, для дискотек, музыкальных ансамблей и др., так как снижает вероят­ность перегрузки и выхода из строя низкочастотных громкоговорителей.



Рис.6.16-корпус АС типа лабиринта-а.трансмиссионной линии-б.



Рис.6.17-корпус АС типа- с двойной камерой а-, типа полосовой фильтр б-,

типа изобарик- в.
• оформления типа полосовых фильтров (band-pass systems) — это также разновидность фазоинверсных систем, в которых ГГ установлен внутри в закрытый корпус и излучает звук не прямо в окружающую среду, а через корпус с фазоинверсным отверстием (рис. 6.17, б). Применение таких систем позволяет регулировать спад АЧХ не только в сторону низких частот, но и в сторону высоких частот (т.е. действует подобно полосовому фильтру). Подбирая размеры и тип камеры (закрытый, с фазоинвертором, «двойным фазоинвертором» и др.) можно менять крутизну спада АЧХ. Например, полосовое оформление 4-го порядка, содержит перед­нюю камеру с фазоинвертором , заднюю - закрытую, скорость спада при этом в сторону высоких частот 24 дБ/окт., т.е. соответствует фильтру 4-го порядка; полосовое оформление 6-го порядка, имеет обе камеры с фазо­инвертором, при этом спад – З6 дБ/окт.

---

Если в корпусе установлены два одинаковых ГГ на один фазоинвертор, то это называется «низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой» (если громкоговорители включены в противофазе, то такое соединение называется push-pull). Такого типа оформления часто исполь­зуются в настоящее время в низкочастотных блоках (subwoofer), которые широко применяются в аппаратуре для пространственных систем звуковоспроизведения типа «Домашнего театра»и др. В этих же блоках используются двойные оформления (типа Isobarik), когда два низкочастотных громкоговорителя нагружены на закрытую до­полнительную камеру - один работает на внутренний объем (закрытый или с фазоинвертором), другой излучает во внешнюю среду - это позволяет снизить частоту среза, уменьшить уровень гармоник, особенно четных и уменьшить общий объем системы (рис. 6.17, в).

Методы расчета основных видов низкочастотных оформлений (корпусов)АС доста­точно подробно разработаны на основе теории Small-Thiele и практически полностью переведены на ком­пьютерные методы [З,8]. Основные принципы и примеры будут рассмотрены в разделе 6.2.5.

Программы для расчета различных конфигураций низкочастотных оформлений можно найти в Интернете, например по следующим адресам (имеется много других адресов, которые можно найти по поисковым системам, например, Google.com):

программа AKABAK http://users.rcn.com/rhcamp/akinfo.htm ;

http://members.chello.se/jpo/softwares.html; http://members/xoom.com/XSSpl/XSSpl/Audio/VentCal.

В области средних и высоких частот существенное влияние на форму амплитудно-частотной характеристики и качество звучания акустических систем оказывает внешняя конфигурация корпуса, что вызвано влиянием дифракционных эффектов. В последние годы, когда параметры высококачественных акустических систем значительно улучшились, вклад дифракционных эффектов в общий уровень искажений стал особенно заметен, поэтому анализу их влияния на выходные характеристики АС посвящены многочисленные исследования[2].Результаты расчетов и эксперименты показали, что использование корпусов со сглаженными углами, обтекаемой формы, с несимметричным расположением ГТ и др. значительно уменьшает неравномерность АЧХ и снижает фазовые искажения. Однако, в связи с тем, что технология изго­товления таких корпусов значительно сложнее и дороже, подавляющее большинство АС выпускается в корпусах прямоугольной формы, при этом применяются специальные меры для уменьшения дифракционных эффек­тов на углах передней панели, в том числе размещение звукопоглощающих материалов («акустическое одеяло»), оптимиза­ция соотношения размеров передней панели и глубины корпуса, подбор несимметричного расположения громкоговорителей и др.

---