Сдвоенные громкоговорители. Двухполосные акустические системы в открытом оформлении

Акустические системы (АС) со сдвоенными головками заинтересовали в свое время немало радиолюбителей. Многие из них остановили свой выбор именно на таких АС и, судя по отзывам, довольны их звучанием. Интерес к сдвоенным головкам проявили и некоторые зарубежные фирмы. Например, в 1985 г. фирма "Jarho" рекламировала ряд новых АС, утверждая в рекламном проспекте , что их большая мощность и высокая верность воспроизведения при относительно небольших габаритах достигнуты благодаря применению сдвоенных головок. Однако отсутствие глубокого анализа и, главное, практических рекомендаций по конструированию АС с такими головками, а также появление в продаже современных низкочастотных компрессионных излучателей несколько снизили интерес радиолюбителей к сдвоенным динамическим головкам. Исследования последних лет позволили выявить новые достоинства этого вида излучателей. Кстати, оказалось, что его оптимальная конструкция та, в которой головки обращены диффузорами одна к другой, поэтому в дальнейшем речь пойдет только об этом варианте. Основные достоинства сдвоенной головки (по сравнению с одиночной) - более гладкая АЧХ, меньшие нелинейные искажения и меньший требуемый объем ящика акустического оформления. АЧХ сглаживается благодаря взаимному демпфированию головок, из которых составлена сдвоенная . Каждая одиночная головка в пределах допускаемых отклонений имеет свою, обусловленную технологией производства, неравномерность АЧХ, поэтому частоты пиков и провалов на их АЧХ не совпадают. В сдвоенной головке часть этих пиков и провалов взаимно компенсируются.

Нелинейные искажения уменьшаются из-за того, что сдвоенная головка (в отличие от одиночной) представляет собой симметричную электро-механоакустическую систему. По этой причине сопротивление воздушной среды с ее обеих сторон практически одинаково, обусловленное конструктивными особенностями и свойствами материала различие гибкости подвеса у головок некоторых типов при движении диффузора вперед и назад отсутствует. Наконец, асимметрия распределения магнитной индукции в зазоре магнитной системы, отрицательно влияющая на уровень второй гармоники , в сдвоенной головке не проявляется.

Рис.1. Расположение сдвоенной головки

Конечно, существуют и другие способы снижения нелинейных искажений АС. Для уменьшения четных гармоник шведская фирма "Audio-Pro", например, в низкочастотном блоке AC B4-2000 устанавливает две (из четырех) низкочастотные головки магнитными системами наружу . Однако рассредоточение излучателей порождает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности АС. Фирма "Jamo" нашла более совершенное решение. В низкочастотном звене она применила одну мощную сдвоенную головку, поместив ее на горизонтальной доске (см. рис. 1, а), под которой расположен рупор, направляющий звук в сторону слушателя и согласовывающий механическое сопротивление подвижной системы головки с воздушной средой . Что же касается объема ящика, то он уменьшается благодаря тому, что результирующая гибкость подвеса сдвоенной головки по сравнению с одиночной снижается вдвое. Масса же подвижной системы сдвоенной головки возрастает во столько же раз, поэтому частота основного механического резонанса не изменяется.

Для сохранения расчетной резонансной частоты сдвоенной головки в акустическом оформлении требуется ящик объемом, вдвое меньшим, чем для одиночной головки того же типа, что видно из следующих соотношений : f я / f r = \/?c г / c я + 1; с я = 1,14V / D 4 эфф, где: f я и f r - резонансные частоты головки соответственно в ящике и открытом воздушном пространстве, c г и с я - гибкость подвеса головки и воздуха в ящике, V - объем ящика, D 4 эфф - эффективный диаметр диффузора. Поскольку значение D 4 эфф сдвоенной головки такое же, как и одиночной, для выполнения приведенных соотношений при уменьшении гибкости c г в 2 раза необходимо уменьшить гибкость с я, а следовательно, и объем V во столько же раз (по сравнению с двумя головками, установленными отдельно, объем уменьшится в 4 раза).

Казалось бы, увеличивая число головок, работающих на одно отверстие АС, можно еще в большей степени уменьшить ее габариты . Однако на практике головки не удается сблизить настолько, чтобы их геометрические размеры не сказались на фазовых сдвигах звуковых волн, излучаемых крайними головками, В этом случае длина пути распространения звуковых волн от крайней внутренней головки до крайней наружной становится соизмеримой с длинами излучаемых волн, что в конечном счете приводит к вычитанию и искажению звуковых сигналов (вот почему нельзя сдваивать средне- и высокочастотные головки). Кроме того, снижение КПД в этом случае станет ощутимым.

Предлагаемая вниманию читателей АС представляет собой громкоговоритель-фазоинвертор с полезным внутренним объемом 50 л. В качестве низкочастотного излучателя применена сдвоенная головка, составленная из 6ГД-2 , в качестве средне- и высокочастотного - соответственно 15ГД-11 и 6ГД-13. Сдвоенная головка установлена на наклонной доске (см. рис. 1, б), образующей вместе с боковыми и нижней стенками ящика рупор, который, по мнению автора, удачней направлен на слушателя, чем в АС фирмы "Jamo" (рис. 1, а). Кроме того, при таком расположении доски со сдвоенной головкой более рационально используется объем ящика, что позволило уменьшить габариты и массу АС.

Основные технические характеристики АС:

Номинальная мощность, Вт............................................. 12

Паспортная мощность, Вт, не менее............................... 30

Номинальное электрическое сопротивление, Ом........... 4

Номинальный диапазон частот, Гц............................30...18000

Благодаря применению высокоэффективных низкочастотных головок 6ГД-2 громкость звучания при сравнительно небольшой номинальной мощности (12 Вт) не уступает промышленным АС типа S-90 при подводимой к ним мощности 30 Вт. Что же касается качества звучания, то большинство слушателей отдает предпочтение описываемой ниже АС.

Принципиальная схема АС (за основу взят разделительный фильтр, описанный в ) изображена на рис. 2, конструкция показана на рис. 3. Ящик АС 3 изготовлен из древесностружечной плиты толщиной 20 мм, обклеенной бумагой, имитирующей ценные породы древесины. Сдвоенная головка 17 закреплена на доске 10, среднечастотная (12) и высокочастотная (16) головки - на передней стенке 4. Задняя стенка 15 - съемная. Среднечастотная головка изолирована от остального объема ящика боксом 13, изготовленным из фанеры толщиной 10 мм и закрепленным на стенке 4 с помощью уголков 11 и шурупов. Туннель фазоинвертора 14 внутренним диаметром 50 и длиной 100 мм склеен из четырех слоев электрокартона толщиной 0,5 мм. В отверстии передней стенки 4 он закреплен с помощью клея. Выходное отверстие рупора сдвоенной головки 17 закрыто решеткой (дет. 1, 2), отверстия напротив средне- и высокочастотной головок - соответственно выпуклыми металлическими сетками 6 и 8 с кольцевыми декоративными обрамлениями 5 и 7. Рамка 1 согнута из полосы сечением 5X20 мм из алюминиевого сплава, прутья 2 диаметром 4 мм изготовлены из нержавеющей стали и вставлены на клею в отверстия, просверленные с шагом 20 мм в верхней и нижней сторонах рамки. Кольцевые обрамления отверстий под остальные головки, а также отверстия под туннель фазоинвертора согнуты из полосы сечением 5X10 мм из того же материала. Для крепления обрамления среднечастотной головки 5 предусмотрены четыре шпильки с резьбой М3, вставленные на клею в отверстия диаметром 3,2 и глубиной 7 мм, просверленные в торце кольца со стороны, обращенной к панели 4. До вырезания отверстия под головку 12 в передней стенке по наружному диаметру обрамления 5 с помощью кругореза с резцом и стамеской необходимо выбрать канавку шириной 20 и глубиной 2...3 мм. При сборке вначале закрепляют головку 12, затем с помощью проволочных скобок или гвоздей - сетку 6 и, наконец, устанавливают на место обрамление 5, которое дополнительно прижимает сетку к панели 4. Обрамление 7 высокочастотной головки 16 закрепляют в проточке передней панели клеем. Для придания АС соответствующего вида наружные торцы рамки 1 и обрамлений 5, 7 и 9 необходимо отполировать до зеркального блеска, а их боковые поверхности (как внутренние, так и наружные) - окрасить черной краской. В такой же цвет следует окрасить металлические сетки 6 и 8, внутренние поверхности туннеля фазоинвертора, рупора сдвоенной головки и всю площадь круга под сеткой 6, диффузородержатель нижней головки 6ГД-2, обращенную к слушателю часть диффузородержателя головки 12 и головки крепящих ее винтов.

Рис.2. Принципиальная схема фильтра АС со сдвоенной головкой

Рис.3. Конструкция АС со сдвоенной головкой

Катушки L1 и L2 разделительного фильтра намотаны проводом ПЭВ-2 1,3 на каркасах диаметром 35 и длиной 100 мм. Каждая из них содержит примерно по 460 витков (шесть слоев по 75-76 витков). Конденсаторы С1-С3 - МБГП, МБГО и т. п. При монтаже АС следует обратить особое внимание на полярность подключения головок 6ГД-2, так как в случае ошибки возникнет акустическое короткое замыкание. Наружная головка - ВА1. Для улучшения демпфирования сдвоенной головки внутреннюю поверхность ящика АС можно обклеить или обить звукопоглощающим материалом. Возможна замена головок 6ГД-2 на 8ГД-1, 15ГД-11 - на 4ГД-8 или 5ГДШ-5-4, а 6ГД-13 - на 3ГД-2. Размеры ящика при такой замене сохраняются.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Журенков А. Сдвоенные динамические головки.- Радио, 1979, № 5, с. 48.

2. Проспект фирмы "Jamo". Цюрих, 1985,

3. Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. Высококачественные акустические системы и излучатели.- М: Радио и связь, 1985.

4. Эфрусси М. М. Громкоговорители и их применение. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Энергия, 1976.

5. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем.- Радио, 1987, № ?, с. 29-31.

6. Райкин Л. Сначала достаньте низкочастотные динамики.- Изобретатель и рационализатор, 1985, № 7, с. 40.

7. Райкин Л. И коловорот, и кругорез.- Изобретатель и рационализатор, 1986, № 2, с, 29.

А. ЖУРЕНКОВ, г. Запорожье

Журнал "Радио", №4 1989 г.

Несколько лет назад радиолюбитель А. Журенков предложил для снижения нижней границы диапазона воспроизводимых громкоговорителем частот использовать сдвоенные головки . К сожалению, в радиолюбительской практике этот метод расширения диапазона в сторону низких частот широкого распространения не получил. И связано это, вероятнее всего, с отсутствием доступной методики расчета громкоговорителей со сдвоенными головками. В статье сделана попытка восполнить образовавшийся пробел и дать радиолюбителям некоторые рекомендации по расчету громкоговорителей со сдвоенными головками.

Известно, что при расчете любого громкоговорителя исходят обычно из параметров используемой в нем головки . Сдваивание головок приводит к изменению только одного из этих параметров ~ общего эквивалентного объема. Так, при сдваивании головок с эквивалентными объемами Vэ1 и Vэ2 их общий эквивалентный объем Vэ= (Vэ1i +Vэ2)/4. Вся методика дальнейшего расчета громкоговорителей со сдвоенными головками не отличается от расчета громкоговорителей с одинарными головками как для закрытого ящика, так и для фазоинвертора .

Для точного определения эквивалентного объема головки рекомендуют использовать измерительный ящик. Если подходящего измерительного ящика достать не удалось, для определения эквивалентного объема головки (в лит pax) можно воспользоваться прибли-женной формулой: Vэ=0,875 *Сг* Dэ4 где Сг - гибкость колебательной системы головки, см/г, измеренная по методике. предложенной в ; Dэ - диаметр диффузора без гофра, см.

Найденное значение Vэ можно использовать при расчете ящика громкоговорителя, а после его изготовления провести более точные измерения.

Несколько слов о КПД громкоговорителя со сдвоенными головками. Зависимость его от параметров описывается выражением : КПД=

где с - скорость звука, К - безразмерная величина, постоянная для данного типа головки и акустического оформления. V - заданный объем ящика громкоговорителя.

Приведенная формула показывает, что платой за снижение нижней граничной частоты воспроизводимого громкоговорителем диапазона является уменьшение его КПД.

Это, однако, с лихвой окупается тем. что при сдваивании головок уменьшаются все виды искажений воспроизводимого ими сигнала. Помимо причин, на которые указывалось в , этому способствует еще одно немаловажное обстоятельство. Дело в том, что неравномерность звукового поля внутри ящика громкоговорителя приводит к сильной неравномерности его АЧХ. Неравномерное распределение звукового давления внутри ящика может, кроме того, явиться причиной деформации диффузора (особенно легкого и тонкого) головки, что, в свою очередь, способствует возникновению нелинейных и интермодуляционных искажений.

В случае использования сдвоенных головок все эти неприятные явления возникают лишь на внутренней головке, на внешней же, благодаря демпфирующему действию заключенного между головками воздуха, значительно ослабляются.

Для устранения источника этих искажений частотный спектр колебаний, подаваемых на внутреннюю головку, в зависимости от размеров громкоговорителя рекомендуется ограничить до 100...300 Гц. Ослабить вредное влияние внутренних резонансов ящика на качество воспроизведения можно и установкой между головками или на тыльной стороне внутренней головки панелей акустического сопротивления (ПАС). В обоих случаях ПАС рекомендуется размещать в отверстиях диффузородержателей головок. Следует также иметь в виду, что ПАС снижает добротность головки, а это может оказаться весьма кстати, поскольку в некоторых случаях позволит использовать усилитель НЧ без ПОС по току.

Известно, что качество звучания громкоговорителя зависит от равномерности не только АЧХ, но и ФЧХ, Сглаживание ФЧХ добиваются как в электрическом (путем выбора соответствующих разделительных фильтров), так и в акустическом трактах (руководствуясь рекомендациями, приведенными в ).

Определенного выравнивания фаз, излучаемых головками звуковых колебаний, можно достигнуть, например, расположением звуковых катушек головок в одной плоскости, перпендикулярной акустической оси громкоговорителя. Однако указанная мера часто оказывается недостаточной, особенно при использовании головок со значительно отличающимися массами подвижных систем и с диффузорами из материалов разной плотности. В первом случае это объясняется тем, что фазовые сдвиги, вносимые головками на средних и высших частотах, при прочих равных условиях тем больше. чем больше масса подвижной системы, а во втором - тем, что фазовые сдвиги зависят от скорости распространения звуковых волн по поверхности диффузора.

Эти обстоятельства вынуждают выдвигать вперед низкочастотную головку по отношению к среднечастотной, а среднечастотную - по отношению к высокочастотной. Необходимое дополнительное смещение головок можно найти экспериментально, подав на вход усилителя, с которым работает громкоговоритель, напряжение прямоугольной формы частотой 0,7fр (здесь fp - частота раздела) и наблюдая переходный процесс сигнала, снимаемого с измерительного микрофона, установленного на акустической оси головок.

Учитывая изложенные выше соображения, сдвоенные головки, работающие в низкочастотном звене, следует устанавливать, руководствуясь рисунком. Если же решено использовать сдвоенные головки и в среднечастотном звене, то их нужно расположить диффузорами друг к другу, как рекомендовано в .

Практическим примером применения сдвоенных головок может служить разработанный автором двухполосный громкоговоритель, выполненный в виде фазоинвертора. В его низкочастотном звене используются сдвоенные головки 6ГД-2, а в средневысокочастотном - головка ЗГД-42 (можно и ЗГД-32). Работает он совместно с двухполосным усилителем, номинальная выходная мощность низко- и высокочастотного каналов которого 20 и 10 Вт соответственно. Разделительный фильтр (частота раздела 500 Гц) аналогичен приведенному в , P a = P э ∙ КПД , где:

P a - акустическая мощность, Вт;

P э - электрическая мощность, Вт;

d - диаметр диффузора, см;

f н, f в - соответствующие граничные частоты диапазона, Гц.

У меня, при P э =10 Вт, КПД =0,1%, f н =28 Гц, f в =800 Гц получилось:

K D = (18 ∙ 10 3 ∙ 800 √0,01) / (28 2 ∙ 20 2) = 4,5%.

Снимаю Z -характеристику АС, высчитываю V as /V =0,29. Вот теперь все совпадает! Измеряю f s на открытом воздухе: головка 1: 34,5 Гц; головка 2: 42,8 Гц; сдвоенный блок (компаунд): 38 Гц.

По расчетам:

f sk = √(f s 1 ∙ f s 2 ) = √(34,5 ∙ 42,8) = 38,4 [Гц];

V ask / V k = (41,4 2 – 24 2) ∙ (24 2 – 20 2) / (41,4 2 ∙ 20 2) = 0,29;

f sk = (f 1 ∙ f h) / f b = (41,4 ∙ 20) / 24 = 34,5 [Гц].

Напоминаю, f sk < f sk за сче присоединенной массы воздуха в ящике с фазоинвертором. Нахожу Q ak =5,148 и Q ek =0,883, а также Q bk ≈3,5. Qbk маловато, но, убрав лишнюю вату и оставиви около 700 г, приближаюсь к Q bk ≈5. Теперь номограмма на рис.5 подходит, f bk /f sk ≈0,75; f 3 k / f sk ≈0,7, откуда нахожу f bk =25,9 Гц; f 3 k =24,2 Гц.

Проверяю АЧХ на слух по тестовому компакт-диску. Частоту 25 Гц слышу с небольшим завалом, 31,5 Гц – прекрасно. Звучание музыкальных программ с турецким барабаном просто радует («Траурная месса» Верди, часть - «Лакримоза», в исполнении Страсбургского филармонического оркестра). А когда на форте-фортиссимо хора и оркестра вступают ударные, подпрыгивает все, в том числе, от неожиданности, и я. Вот этого великий Верди и добивался! Такое звучание на НЧ я слышал только от АС «Таппоу» с объемом 200 л и диаметром головки около 380 мм.

Бубнит ли «Чебышев»? Я этого не заметил. А вот потери за счет дифракции – заметил, когда стал измерять АЧХ громкоговорителей, установленных на расстоянии 1,5 м от стен. Рассчитаем частоту, на которой образуется этот спад (-3 дб) по формуле:

f = 115 / W = 115 / 0,375 ≈ 300 [Гц], где W - ширина АС, м.

Это значение точно совпало с измеренным. Если АС стоят в углах комнаты размерами 6хЗх2,7 м по узкой стене, то падения НЧ за счет дифракции не происходит.

Конечно, надо учесть, что АЧХ громкоговорителя в обычной жилой комнате будет иметь множество пиков и провалов за счет отражений звука от стен, потолка, пола и других поверхностей. Это показано на рис.6(кривая 1 – АЧХ в комнате, кривая 2 в звукомерной камере).

Подведу итоги:

Если хотите получить самые низкие частоты, а резонансная частота динамиков где-то в 1,5 раза выше их, то вам поможет АС «по Чебышеву».
Чтобы не строить громадные ящики, можно применить сдвоенные головки.
Грамотно настроенные АС «по Чебышеву» не «бубнят»!
Аудиофил никогда не успокаивается (аксиома!).

Один вопрос у меня все же остался: пики на Z-характеристике немного разные по высоте, и выровнять их пока не удалось. Почему?

Известно, что при расчете любого громкоговорителя исходят обычно из параметров используемой в нем головки . Сдваивание головок приводит к изменению только одного из этих параметров ~ общего эквивалентного объема. Так, при сдваивании головок с эквивалентными объемами V э 1 и V э 2 их общий эквивалентный объем V э = (V э 1 +V э 2)/4. Вся методика дальнейшего расчета громкоговорителей со сдвоенными головками не отличается от расчета громкоговорителей с одинарными головками, как для закрытого ящика, так и для фазоинвертора .

где С г - гибкость колебательной системы головки, см/г, измеренная по методике предложенной в ; D э - диаметр диффузора без гофра, см.Найденное значение V э можно использовать при расчете ящика громкоговорителя, а после его изготовления провести более точные измерения. Несколько слов о КПД громкоговорителя со сдвоенными головками. Зависимость его от параметров описывается выражением :

Приведенная формула показывает, что платой за снижение нижней граничной частоты воспроизводимого громкоговорителем диапазона является уменьшение его .

Это, однако, с лихвой окупается тем, что при сдваивании головок уменьшаются все виды искажений воспроизводимого ими сигнала. Помимо причин, на которые указывалось в , этому способствует еще одно немаловажное обстоятельство. Дело в том, что неравномерность звукового поля внутри ящика громкоговорителя приводит к сильной неравномерности его АЧХ. Неравномерное распределение звукового давления внутри ящика может, кроме того, явиться причиной деформации диффузора (особенно легкого и тонкого) головки, что, в свою очередь, способствует возникновению нелинейных и интермодуляционных искажений.

Известно, что качество звучания громкоговорителя зависит от равномерности не только АЧХ , но и ФЧХ , Сглаживание ФЧХ добиваются как в электрическом (путем выбора соответствующих разделительных фильтров), так и в акустическом трактах (руководствуясь рекомендациями, приведенными в ).

Корпус громкоговорителя (700х400х360 мм) изготовлен из ДСП толщиной 20 мм. Передняя стенка склеена из двух листов ДСП, ее толщина - 40 мм. Такова же толщина и цилиндрической накладки диаметром 300 мм из того же материала, закрепленной с внешней стороны передней панели. Отверстие в накладке диаметром 230 мм совпадает с отверстием в передней панели под низкочастотные головки.

Одна из них закреплена с внутренней стороны передней панели, другая с внешней стороны накладки. Головка ЗГД-42 укреплена с внешней стороны передней панели над низкочастотным узлом большой осью вертикально. С внутренней стороны она прикрыта колпаком, объем которого (около 2 литров) заполнен ватой. Для увеличения жесткости ящика между передней и задней, а также между боковыми стенками установлены металлические распорки. Внутренние стенки ящика оклеены войлоком толщиной 20 мм.

Труба фазоинверсного отверстия (установлена на передней панели) имеет внутренний диаметр 80 и длину 160 мм, считая и толщину передней стенки.

Громкоговоритель можно выполнить и в виде закрытого ящика. В этом случае гладкая АЧХ на низких частотах получается при нулевом выходном сопротивлении полосного усилителя, а нижняя граница воспроизводимого громкоговорителем диапазона частот повышается до 40 Гц. Если в такой громкоговоритель установить разделительные фильтры с частотой раздела 400...500 Гц, то его можно использовать практически с любым усилителем, работающим на нагрузку 4 Ом.

Верность воспроизведения музыкальных программ громкоговорителя в обоих исполнениях весьма высокая.

ЛИТЕРАТУРА

Журенков А. Сдвоенные динамические головки. Радио. 1979. № 5. с. 48.
Виноградова Э. Л, Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками.- М.. Энергия, 1978.
Эфрусси М. Расчет громкоговорителей.- Радио 1977 № 3. с. 36-37.
Валентин и Виктор Лексины. Однополосный или многополосный? Радио, 1981. № 4, с.35-38. (РАДИО 2, 1983 г.)