11.1 Демпфування панелей.

Акустична система крім відповідності розмірів і форми розрахунковим даним повинна бути виготовлена так щоб в ній не було щілин і не спостерігалося вібрацій при роботі головок гучномовців. Вібрації окремих елементів (панелей, стінок корпусу), що виникають на їх резонансних частотах породжують призвуки, що спотворюють основний сигнал.

Хорошим матеріалом для виготовлення корпусів АС служить фанера або деревостружкові плити завтовшки 12...20 мм. Ефективний спосіб зменшення вібрацій, а, отже, і їй небажаних призвуків полягає в кріпленні низькочастотної головки гучномовця на м'якій кільцевій прокладці з мікропористої або губчастої гуми, пінопласту ПХВЕ, гумової трубки і т. п.; при цьому рівень вібрацій стінок знижується на 15...20 дб.

При м'якому кріпленні головки необхідно, щоб болти, що кріплять, не стикалися безпосередньо з диффузоротримачем. Під їх головки і гайки потрібно підкласти шайби з того ж; м'якого матеріалу. Важче всього віброізолювати від стінки корпусу важку головку, наприклад типу 8ГД-1РРЗ. Її рекомендується кріпити за допомогою чотирьох скоб, дві з яких притискують до передньої стінки через пружні прокладки нижнє півкільце диффузоротримача, а дві інші — верхнє. До стінки корпусу скоби прикріплюють болтами жорстко, без прокладки. Під нижньою кромкою диффузоротримача можна встановити куточок завдовжки 40.50 мм, проклавши між ним і диффузоротримачем пружну прокладку; цей куточок прийме на себе основну тяжкість головки і розвантажить пропущені крізь диффузоротримач болти.

Для зменшення вібрацій стінок корпусу і конструкції в цілому доцільно застосовувати матеріали з підвищеними внутрішніми втратами енергії при деформації (з підвищеним “внутрішнім тертям”), що володіють разом з тим достатньо високою жорсткістю. Такі матеріали називають вібродемпфуючими або вібропоглинаючими матеріалами, які можна нанести на звичайні панелі, перетворюють частину коливальної енергії вібрацій на тепло і збільшують, механічний опір панелей, чим зменшують амплітуду вібрацій. Особливо ефективно вібродемпфування на резонансних частотах, коли зростають амплітуди вібрацій і деформації на вигин і зрушення. Демпфуючі властивості матеріалу характеризуються декрементом загасання. Орієнтовне уявлення про декремент загасання можна отримати по дзвінкості і тривалості звучання панелі, якщо підвісити її за один кут і ударити по ній пальцем або шматком дерева. Тривалий дзвінкий звук свідчить про малий декремент загасання, а короткий глухий — про значні втрати його в матеріалі.

Приклад 1. Визначити параметри розділового фільтру, розрахованого на частоту розділення 1000 Гц, якщо низько- і високочастотна головки гучномовця мають опори по 15 Ом кожна. Справа номограми по відмітці 15 Ом знаходять спадаючу зліва вниз діагональну пряму. Далі знаходять точку її перетину з діагональною прямою, що має відмітку 1000 Гц і спадаючою справа. Проводячи з цієї крапки горизонтальну пряму вліво і вертикальну вгору, прочитують на осях відповідно 3,37 мГн і 7,5 мкФ. Це і приблизно значення шуканих величин. Якщо задані такі значення, які відсутні на номограмі, використовують наступні множники:

Так, якби замість заданих вище значень частоти і опору узяти відповідно 500 Гц і 600 Ом, то шукані значення індуктивності і ємкості визначилися б таким чином. Спочатку шукаємо відповідь для значень 500 Гц і 60 Ом. Як і у попередньому випадку, знаходимо L = 27 мГн і С = 3,75 мкФ. Оскільки початкове значення опору (60 Ом) треба помножити на 10, щоб прийти до заданого (600 Ом), використовуємо другий рядок приведених вище множників і отримуємо L = 27 × 10 == 270 мГн; C. = 3,75 × 0,1 = 0,375 мкФ.. Для набуття обчисленого значення ємкості беруть набір конденсаторів. Необхідного значення індуктивності набувають намотуванням певного числа витків котушки без залізного сердечника щоб уникнути спотворень, обумовлених перемагнічуванням сердечника.

Практично оптимальна (у сенсі максимуму відношення індуктивності котушки до її активного опору) конструкція виходить, коли внутрішній діаметр циліндрового шару обмотки удвічі більше його висоти, а зовнішній діаметр в чотири рази більше до і в два рази більше внутрішнього діаметру. За цих умов  мм, де L — індуктивність, мкГн; R — опір, Ом; довжина дроту l=  мм; число витків ; діаметр дроту (без ізоляції)  мм; маса дроту кг

Приклад 2. Визначити дані котушки з індуктивністю 3,37 мГн (або 3370 мкГн) розділового фільтру, навантаженого головкою гучномовця опором 15 Ом. Активний опір котушки, що розраховується, повинен складати 5% опорів головки. Це співвідношення можна вважати цілком прийнятним. Тоді R = 0,05 • 15 = 0,75 Ом, звідки L/R = 3370/0,75 = 4500. Далі маємо:

мм;

мм = 52м;

витков;

мм;

кг.

Набутих значень повинні бути закруглені (в першу чергу діаметр дроту) до найближчого стандарту. Остаточні значення індуктивності підганяють шляхом відмотування декількох витків обмотки, намотаної з деяким перевищенням числа витків порівняно з розрахованим.

Трьохсмугові АС.

Схеми фільтрів для трьохсмугових систем показані на рис. 10.7. Розрахуємо фільтри з паралельним з'єднанням входів (рис. 10.7, а). Першу пару фільтрів L1C1 розраховують по формулах С1 = 113 • 10³/f_гр; L1 = 225z_г/f_гр.. Тут С1 — ємкості, мкФ; L1 — індуктивності, мГн; f_гр — гранична частота розділення, Гц; z_г — опір головки, Ом. Ці фільтри розраховують для нижчої частоти розділення f_гр1 і до виходу одного з них (фільтру нижніх частот) приєднують низькочастотну головку гучномовця. Другу пару фільтрів L1'С1' приєднують до фільтру верхніх частот першого ступеня, проникного сигнали з частотами вище f_гр1. Цю пару фільтрів розраховують по тих же формулах, що і першу, але для вищої частоти f_гр2.

Рис. 10.7 - Схеми розділових фільтрів для трьохсмуговий АС з

паралельним (а) і послідовним (б) з'єднанням їх входів.

Таким чином пара фільтрів L1'С1' ділить інтервал частот, що знаходиться вище за першу частоту f_гр1, на дві смуги з частотою розділення між ними f_гр2.

Для двох пар фільтрів з послідовним з'єднанням входів (рис 10.7, б) значення ємкості і індуктивності обчислюють по формулах

;            .

Одиниці величин такі ж, як і у попередньому випадку. Послідовне включення двох пар фільтрів представляє інтерес лише цьому сенсі, що при цьому значення ємкостей і індуктивностей інші, відповідно конденсатори і котушки будете легше купити або виготовити.

Існує ще декілька різновидів трьохсмугових АС. Одна з них полягає в підключенні до двохсмугової системи додаткової головки через послідовний резонансний контур. Ця головка може компенсувати провали (не більше ніж на 8...10 дб) в частотній характеристиці двохсмугової системи; іноді невелике збільшення звукової віддачі в області середніх частот, що створюється додатковою головкою, значно покращує якість звуковідтворення: краще розпізнаються окремі інструменти оркестру. Це особливо помітно при порівнянні звучання з АС, у якої понижена звукова віддача на середніх частотах, навіть якщо таке зниження не виходить за межі допусків. Інший спосіб розділення широкосмугового сигналу на частотні смуги зв'язаний із застосуванням RС‑фільтрів з негативним зворотним зв'язком, що включаються між загальним попереднім і двома крайовими підсилювачами. Цей спосіб здорожує пристрій за рахунок додаткових могутніх підсилювачів, що працюють кожен в своїй смузі; позитивним є досконаліше розділення смуг з великою крутизною зрізу, що досягає 36 дБ/окт.

Головки гучномовців

Неодмінна частина будь-який АС — збудлива це одна або декілька головок гучномовців. Головки перетворять електричну енергію сигналу, що підводиться до них, — музику і мову — в енергію коливань їх рухомих систем і далі у випромінюваний звук. Головки гучномовців можуть розрізнятися за способом перетворення енергії і за способом їх зв'язку з навколишнім середовищем, яке вони порушують.

В даний час відомі наступні способи перетворення енергії: електродинамічний, електромагнітний, електростатичний, .пєзоелектричний.

Найбільш поширений електродинамічний спосіб. Він використовується в таких конструктивних різновидах:

а) диффузорний,

б) з куполоподібною діафрагмою,

в) ізодинамічний,

г) стрічковий.

Істотно рідше застосовують електростатичний і п'єзоелектричний способи. Тільки окремі зразки небагатьох зарубіжних фірм використовують іонний спосіб. Застарілий і практично не використовується електромагнітний спосіб.

За способом зв'язку з середовищем застосовуються конструкції: прямого випромінювання, де рухомий орган (діафрагма, дифузор) випромінює безпосередньо в середу, і рупорні, де діафрагма випромінює в середу через рупор.

Електронні пристрої АС включають, перш за все, електричні розділові фільтри. Практично всі сучасні АС є багатосмуговими по причинах, вказаних вище, тому розподіл енергії звукового сигналу між ГГ є основним завданням фільтрів. Розвиток техніки проектування АС примусило змінити функції фільтрів і методи їх проектування. Розділові фільтри виконують тепер одночасно завдання фільтрації і корекції. У переважній більшості що сучасних випускаються АС використовуються так звані «пасивні» фільтри, які включаються після підсилювача потужності. Проте у ряді моделей АС застосовуються і «активні» розділові фільтри. В цьому випадку в кожному частотному каналі використовується свій підсилювач "потужності, включений після фільтрів. В порівнянні з пасивними активні фільтри мають ряд переваг: кращу пере настройку процесу настройки, відсутність втрат потужності, менші габарити і т. ін., проте вони програють по таких параметрах, як динамічний діапазон, шуми, нелінійні спотворення, вимагають застосування окремих підсилювачів в кожному каналі, що економічно невигідно. У вітчизняній промисловості випускається тільки одна модель активною АС «S-70».

В процесі розвитку техніки проектування АС використовувалися пасивні фільтри різних типів. До теперішнього часу найбільшого поширення набули фільтри «всепропускного типу», які задовольняють одночасно багатьом вимогам: забезпечують плоску сумарну АЧХ по напрузі, симетричні характеристики спрямованості АС в області частот розділення, низьку чутливість до зміни значення елементів. Оскільки передавальні функції по напрузі таких фільтрів представляються у вигляді поліномів Баттерворта ступеня n [точніше, при n — непарному описуються поліномом Баттерворта B_n, а при n — парному — (B_n)²], їх називають фільтрами Баттерворта різного порядку. Вибір порядку фільтрів визначається ступенем складності що пред'являються до АС вимог. Зазвичай в АС використовуються фільтри другого — четвертого порядків. Методи розрахунку розділових фільтрів в АС і їх елементів дані в [1], практична реалізація їх здійснюється зазвичай у вигляді сходових схем. При оптимізації розділових фільтрів з використанням ЕОМ розробник задається схемою фільтрів і початковими значеннями елементів. Потім шляхом цілеспрямованої зміни значень елементів схеми на ЕОМ мінімізується різниця між необхідними електроакустичними характеристиками і дійсними. Використання методів оптимального синтезу фільтрує - ланцюгів, що коректують, дозволило в сучасних конструкціях АС добитися значного зменшення нерівномірності АЧХ, зниження рівня фазових спотворень, симетризаціі характеристик спрямованості і т. ін.

До електронних пристроїв в АС відносяться також різні фільтри-коректори, які використовуються для корекції характеристик АС в області.

Чутливість АС — звуковий тиск, що розвивається АС на відстані 1 м по її осі при підведенні до її затисків сигналу потужністю в 1 Вт. По визначуваній таким чином чутливості можна судити про роботу одну і ту ж АС на різних частотах. У більшості моделей АС категорії Нi — Рi рівень чутливості складає 86...90 дб (у технічній літературі він часто записується у вигляді 86 дБ/м - Вт). Останніми роками з'явилися високоякісні широкосмугові АС з високою чутливістю 93...95 дБ/м - Вт.

Зручніша характеристика — стандартний звуковий тиск, під яким мається на увазі звуковий тиск, що розвивається АС при підведенні до неї електричної потужності 0,1 Вт в крапці на відстані 1 м і розташованою по її осі.

Середній звуковий тиск, що розвивається, АС 1,2.1,7 Па, у АС з високою чутливістю — 2...2,8 Па, що відповідає рівню звукового тиску 96...102 дб.

Ефективно відтворний діапазон частот — діапазон, в межах якого рівень звукового тиску знижується на деяке задане значення по відношенню до рівня, усередненого в певній смузі частот. Діапазон відтворних частот АС залежить від частотних характеристик окремих динамічних головок, від конструкції ящика, а також від параметрів розділових фільтрів.

Відповідно до ГОСТ 23262 — 83 мінімальних вимоги по цьому параметру для АС категорії Hi — Рi складають 40... 16 000 Гц при спаді 4 дб по відношенню до рівня, усередненого в смузі частот 100...8000 Гц.

Амплітудно-частотні характеристики АС представляють в графічній формі у вигляді залежності рівня звукового тиску від частоти в логарифмічному масштабі (див. рис. 3.10). Під рівнем звукового тиску розуміють відношення зміряного значення звукового тиску до нульового його значення 2∙10^-5 Па, виражене в децибелах.

Нерівномірність АЧХ — відношення максимального звукового тиску до мінімального або відношення максимального (мінімального) значення до середнього в заданому діапазоні частот, виражене в децибелах. У кращих моделях АС досягнута нерівномірність ±2 дб. Амплітудно-частотні спотворення суб'єктивно сприймаються як спотворення тембру звучання, до яких слух дуже чутливий. Порогові значення сприйманих нерівномірностей в середньому складає 2 дб; чутливість до виявлення піків значно вища, ніж до виявлення провалів, причому рівень цієї чутливості залежить від Ширини (добротності) піку-провалу і місцеположення його на тій, що спектральній огинає сигналу, що прослуховується.

Відзначимо, що форма АЧХ більшою мірою визначають якість звучання на низьких частотах.

При гладкій частотній характеристиці АС, коли нерівномірність "розмита", тобто не має великих перепадів, звучання має м'який, "ненав'язливий" характер, при цьому добре прослуховуються всі інструменти басової групи.

Оскільки ідентичність АЧХ в стереопарах дуже важлива для локалізації стереообраза, в апаратурі Hi — Fi нормується допустима розбіжність АЧХ в АС, використовуваних в стереопарі: воно не повинне перевищувати 2 дб при порівнянні рівня Р„ усередненого в однакових октавах в діапазоні 250...8000 Гц.

Номінальна потужність АС — це потужність, що підводиться до неї від підсилювача, при якій нелінійні спотворення не перевищують допустимого значення. Номінальну потужність АС вибирають з ряду: 3, 6, ДО, 15. 25, 35, 50, 75, 100 Вт. На практиці прийнято характеризувати АС по паспортній (максимальною) потужності.

За паспортну потужність приймають найбільшу неспотворену потужність підсилювача, від якого АС може тривалий час працювати. Паспортна потужність різних АС може перевищувати номінальну в 1,5 — 3 рази.

Паспортна потужність гучномовців дозволяє вибрати підсилювач з урахуванням достатнього резерву потужності для неспотвореної передачі імпульсних сплесків музичних сигналів, що досягають десятиразового значення номінальної потужності.

Через конструктивні і технологічні особливості АС, як правило, вносять найбільші нелінійні спотворення в порівнянні з рештою ланок звуковідтворюючого тракту. Нелінійні спотворення можуть досягати 3 %, причому якщо в області вищих частот спотворення вносять самі головки, то в області нижчих частот (до 300...400 Гц) грає роль акустичне оформлення. Вхідний опір АС має два номінальні значення — 4 або 8 Ом.

Слід особливо сказати про демпфування гучномовця. Динамічна структура музичних передач має імпульсний характер. Музика є безперервним рядом наступних один за одним звукових імпульсів різної тривалості, інтенсивності і частоти, що змінюються. Хороший гучномовець повинен мати такі перехідні характеристики, які забезпечують точне перетворення електричного імпульсу в звуковій, тобто збереження форми і тривалості імпульсу.

Перехідні характеристики гучномовця залежать від величини гальмуючого зусилля, викликаного індукованою в котушці гучномовця ЕДС і механічними втратами в рухомій системі. Недостатнє демпфування гучномовця і його дифузора характеризується наявністю на його частотній характеристиці максимумів і мінімумів.

При слабкому демпфуванні загасання власних коливань рухомої системи гучномовця на частоті основного резонансу може продовжуватися досить довго (0,1.0,15 сек.).

Внаслідок цього вони можуть потрапити на наступний звуковий імпульс і значно спотворити сигнал, супроводжуючи його призвуками, відсутніми в сигналі, який передається. Для усунення подібних спотворень застосовують електричне і акустичне демпфування.

Електричне демпфування зводиться до зниження вихідного опору підсилювача. Річ у тому, що при коливаннях звукової котушки в ній наводиться ЕДС, що створює струм, протидіючий вільним переміщенням котушки, тобто гальмуючий її коливання. Чим менше вихідний опір підсилювача, що шунтує звукову котушку, тим більше наведений струм і тим більше створюється гальмування. Отже, низький вихідний опір підсилювача є обов'язковою умовою підвищення якісних показників підсилювача.

Акустичне демпфування проводиться за допомогою пористого звукопоглинального матеріалу, яким заповнюється закритий ящик з гучномовцем. Акустичне демпфування ефективно діє від самих нижніх звукових частот до 4...5 кГц, забезпечуючи хороші перехідні характеристики гучномовця.

Проте акустичне демпфування створює "завал" частотної характеристики в області нижніх частот.

Акустична система повинна бути узгоджена з У3Ч по вхідному опору, а також по потужності.