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 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 .
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 приближенной формулой:
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 :
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 .
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 . Выходное сопротивление низкочастотного канала усилителя отрицательное - 1,5 Ом. Номинальный диапазон воспроизводимых громкоговорителем частот - 30... 18000 Гц, неравномерность АЧХ - не более 6 дБ.
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.)
В этой статье описана конструкция малогабаритных акустических систем АС, предназначенных для использования в местах отдыха вдали от дома, которые обладают более высоким качеством воспроизведения музыкальных фонограмм, чем серийные переносные магнитофоны и магнитолы высоких классов.
Как сделать акустическую систему своими руками
В статье кратко обоснованы пути и причины выбора такого технического решения. Данные акустические колонки могут быть построены начинающими радиолюбителями, так как требуют небольшое количество материалов, соответственно, малый объем трудозатрат на изготовление и просты в настройке. Технология изготовления акустических систем своими руками подробно описана в расчете на начинающих радиолюбителей.
Конструирование малогабаритных акустических систем своими руками было вызвано необходимостью во время отпуска вдали от дома слушать музыкальные записи с более высоким качеством, чем это позволяют переносные магнитофоны и магнитолы высоких классов. Речь не идет о высококачественном звучании категории Hi-Fi, поэтому необходимо было найти компромиссный вариант между качеством звучания и объемом аппарата.
Двухполосная акустика Мелодия-101-стерео
За основу была взята двухполосная акустическая система радиолы I класса «Мелодия-101-стерео» с динамическими головками типов 10ГДН-1 (6ГД-6), 6ГДВ-1 (ЗГД-2) и с габаритными размерами 300x171x168 мм, но с другой конфигурацией и несколько меньшим объемом ящика акустической системы (фото в начале сайта).
Ящики были изготовлены из ламинированной фанеры толщиной 12 мм. Боковые стенки и лицевая панель, с вырезанными отверстиями под динамические головки, соединены между собой с помощью деревянных реек сечением 15×15 мм, клея ПВА и коротких гвоздей.
Гвозди должны входить в фанеру на глубину не более 8 мм. Задняя часть боковых стенок вначале также была обшита рейками сечением 15х 15 мм по всему периметру на расстоянии 12 мм от края для крепления задней стенки шурупами.
Первоначально ящик акустической системы был закрытого типа, в нем были установлены две электродинамические головки типов 25ГДН-3 (15ГД-14) и 6ГДВ-1 (ЗГД-2) с простейшим фильтром, аналогично «Мелодии- 101 -стерео», из одного разделительного конденсатора между головками емкостью 2 мкФ.
Эти динамики выбраны из следующих соображений:
- диапазон воспроизводимых частот динамика 25ГДН-3 65-5000 Гц;
- частота основного резонанса 55 Гц;
- номинальное электрическое сопротивление 4 Ом;
- диапазон воспроизводимых частот динамика 6ГДВ-1 5000…18000 Гц;
- номинальное электрическое сопротивление 8 Ом .
В результате этого получается полная стыковка диапазонов воспроизводимых частот от 65 до 18000 Гц без среднечастотного динамика. Практические испытания звучания этой акустической системы на слух дали результат, который оказался ниже ожидаемого в части воспроизведения низших звуковых частот. Очевидно, сказалось уменьшение объема ящика.
Проанализировав все возможные способы повышения качества звучания, при тех же габаритах акустической системы, было принято решение дополнить ящик щелевым фазоинвертором с тыльной стороны и установить сдвоенные головки типа 25ГДН-3, у которых результирующий эквивалентный объем в два раза меньше, чем у одной такой же головки .
Объем имеющегося ящика, как бы, увеличивается почти в два раза для наружной головки, учитывая, что внутренняя головка занимает часть полезного объема. В результате уменьшение объема ящика по сравнению с акустической системой «Мелодии-101- стерео» было компенсировано применением сдвоенных головок.
Чертежи акустической системы
Конструкция акустической системе со сдвоенными динамиками и фазоинвертором показана на рис. 1, где обозначены:
- Перегородка фазоинвертора.
- Направляющая рейка.
- Рейки крепления боковых стенок, лицевой панели и задней стенки.
Более качественно воспроизводят низшие частоты звукового диапазона сдвоенные головки по типу «диффузор к диффузору» (рис.2), но они заваливают средние частоты. При желании построить более высококачественную малогабаритную акустическую систему достаточно дополнить ее среднечастотной головкой, например, типа 3ГДШ-8 и разделительным фильтром аналогично использованному в акустической системе . При этом высоту акустического ящика (рис. 1) необходимо увеличить на размер диаметра СЧ головки плюс 20 мм.
Сдвоенные динамики по типу «диффузор за диффузором», нормально воспроизводят средние частоты, так как диффузор наружной головки обращен к слушателю лицевой стороной, и улучшают воспроизведение низших частот и АЧХ по сравнению с одиночной головкой . Данная колонка является двухполосной, что нужно учитывать, поэтому в данном случае вариант сдваивания головок по типу «диффузор за диффузором» является более приемлемым. Чертеж узла крепления сдвоенных головок показан на рис.3.
Для крепления сдвоенных головок к лицевой панели вырезают из фанеры толщиной 5…6мм
кольцо 10 с внутренним диаметром 110 мм и наружным — 160 мм, на которое соосно накладывают головку и размечают крепежные отверстия карандашом. Отверстия просверливают сверлом диаметром 3,3 мм. Кольцо с отверстиями накладывают на место крепления сдвоенных головок к внутренней стороне лицевой панели 11 и размечают центры углублений для головок крепежных винтов 7. В отверстия кольца 10 из фанеры вкручивают винты 7 М4 с круглыми головками и длиной 25 мм.
Если фанера очень плотная, можно предварительно нарезать в ней резьбу метчиком М4. После этого на лицевой панели делают углубления для головок крепежных винтов диаметром 7 мм и глубиной 4 мм. Эту операцию необходимо выполнять очень осторожно, чтобы не просверлить панель насквозь. Предварительно для точного размещения крепежных винтов углубления делают сверлом диаметром 2 мм, зажатым в ручные тиски, а затем таким же способом углубления расширяют сверлом диаметром 7 мм.
После этого кольцо со стороны лицевой панели и место его установки на внутренней стороне этой панели обильно смазывают клеем ПВА или эпоксидной смолой, включая углубления для головок винтов. Кольцо устанавливают на место и прижимают или прибивают короткими гвоздями. Излишки клея с передней стороны лицевой панели сразу же удаляют влажным тампоном, а эпоксидной смолы — ацетоном. Кольцо в таком состоянии находится до полной полимеризации клея (для надежности лучше выдержать 24 ч. так как прочность этого крепления очень важна).
Для сдваивания динамических головок необходим разделительный цилиндр 4, который герметизирует объем воздуха между диффузорами и на который опирается внутренняя головка. В авторском варианте цилиндр склеен из двух слоев линолеума на войлочной основе толщиной 5 мм. Внутренний диаметр цилиндра 114 мм, высота 60 мм.
Высота цилиндра может быть другой, в зависимости от модификации головок, но должна быть такой, чтобы зазор между диффузором внутренней головки и магнитной системой наружной головки был не менее 10… 15 мм. Для изготовления первого слоя цилиндра полоску линолеума 358×60 мм склеивают торцами клеем «Момент» войлочной основой внутрь и по наружной поверхности фиксируют скотчем.
Вторую полосу шириной 60 мм и длиной, определяемой по месту, наклеивают на первый слой цилиндра и фиксируют скотчем. Торцы второго слоя цилиндра должны стыковаться с противоположной стороны. В боковых стенках готового цилиндра напротив выводов внешней головки сверлят отверстия по диаметру монтажных проводников, которыми эта головка подключается к схеме акустической системе.
Для крепления (рис.3) обеих головок необходимо также иметь четыре втулки 6 длиной 25…30 мм с внешним диаметром 8… 10 мм со сквозной резьбой М4, четыре шпильки 5 длиной 60 мм с резьбой М4 на обоих концах по 20 мм, 8 гаек М4,12 картонных или текстолитовых шайб 2.8. Вначале на винты 7 приклеенного кольца устанавливают внешнюю динамическую головку 9 и закрепляют втулками 6 через шайбы 8. В отверстия разделительного цилиндра 4 вставляют достаточной длины зачищенные и залуженные монтажные проводники. Цилиндр устанавливают на динамическую головку 9, а проводники припаивают к ее выводам.
Во втулки 6 ввинчивают шпильки 5 на которые навинчивают опорные гайки с шайбами, и устанавливают внутреннюю головку 3 до плотного совмещения с разделительным цилиндром 4. На концы шпилек 5 надевают картонные или текстолитовые шайбы 2 и навинчивают гайки 1. ВЧ головку 6ГДВ-1 с заранее подпаянными проводниками крепят к лицевой панели обычным способом шурупами. Конденсаторы С1 и С2 приклеивают к днищу акустической системе клеем «Момент». На задней стенке крепят гнездо типа «Тюльпан» для подключения соединительного кабеля между акустической системой и усилителем мощности.
После крепления деталей их соединяют между собой согласно принципиальной схеме, показанной на рис.4. Конденсатор С1 80 мкФ состоит из нескольких стандартных, включенных параллельно. На схеме показано, что внутренняя головка зашунтирована конденсатором С1. В связи с тем, что длина звуковых волн среднечастотного диапазона соизмерима с расстоянием между диффузорами, звуковые сигналы, излучаемые внутренней головкой, приходят к диффузору внешней головки с существенными фазовыми сдвигами, искажающими АЧХ.
Например, звуковой сигнал с частотой 3000 Гц, длина волны которого равна 11,5 см, пройдя расстояние между диффузорами 6 см, поменяет фазу почти на противоположную и затормозит излучение этой частоты внешней головкой, т.е. создаст провал АЧХ на этой частоте. В этом варианте сдвоенных головок средние частоты должны воспроизводиться только внешней головкой. а низшие частоты, длины волн которых значительно больше расстояния между диффузорами, — воспроизводиться обеими головками и проходом фазойнвертора.
Сопротивление шунтирующего конденсатора на верхней частоте СЧ диапазона должно быть в несколько раз меньше сопротивления внутренней головки. Полное электрическое сопротивление динамика 25ГДН-3 на частоте 1 кГц равно 4 Ом, а на частоте 5 кГц составляет примерно в 5 раз больше. В данном случае на частоте 5 кГц сопротивление равно 0,4 Ом. В аналогичных акустических системах, габариты которых не являются критичными, внутреннюю головку можно шунтировать последовательным LC-контуром, перекрывающем полосу частот примерно 400 Гц…6 кГц.
В трехполосных акустических системах сдвоенные головки любого типа работают только на низших звуковых частотах, а средние и высокие частоты подавляются фильтром НЧ кроссовера, поэтому дополнительное шунтирование внутреннего динамика не требуется. Для прохода фазоинвертора на лицевой панели недостаточно места, поэтому было принято решение, поместить его с тыльной стороны. На работу динамических головок в области их основного механического резонанса место размещения прохода фазоинвертора особой роли не играет. Единственным недостатком этого варианта является то, что такую АС нельзя вплотную прислонять к стенкам помещений или мебели.
Для простоты изготовления и настройки фазоинвертор выполнен в виде узкой щели, образованной верхней стенкой ящика и плоской перегородкой 1 по всей его ширине (рис.1). Перегородка 1 выполнена из фанеры толщиной 6 мм и закреплена в пазах, образованных верхними рейками 3 крепления боковых стенок ящика и направляющими рейками 2. закрепленными на расстоянии 6 мм от верхних боковых реек. Верхнюю рейку 3 крепления задней стенки перемещают ниже на расстояние 21 мм от верхней стенки. Заднюю стенку обрезают сверху на 21 мм и крепят шурупами.
Изначально перегородка 1 имеет площадь примерно равную верхней стенке и возможность перемещаться в пазах для настройки фазоинвертора. Настройка фазоинвертора заключается в достижении минимума напряжения на сдвоенных головках на частоте основного резонанса 55 Гц путем изменением длины прохода перемещением перегородки. Более подробно настройка фазоинвертора описана в (4) и (5). После настройки фазоинвертора отмечают линию стыка перегородки с задней стенкой карандашом. Перегородку вынимают, лишнюю часть перегородки обрезают, а торец ее обрабатывают наждачной шкуркой.
После этих операций снимают заднюю стенку, а пазы, поперечную рейку и края перегородки смазывают клеем ПВА. Перегородку вставляют в пазы на свое место, а выдавленные части клея равномерно распределяют узкой кистью вдоль стыков перегородки с рейками. После полной полимеризации клея проверяют прочность крепления перегородки на отсутствие ее вертикального перемещения в пазах для предотвращения дребезжания. При обнаружении щелей между перегородкой и направляющими рейками щели заливают клеем ПВА.
После этого крепят заднюю стенку — и акустическая система готова к эксплуатации. Перед установкой задней стенки на рейки крепления наносят слой пластилина толщиной около 1 мм для герметизации корпуса акустической системы. В заключение следует отметить, что приведенная модернизация акустической системы дала положительные результаты и успешно используется в течение нескольких лет.
А.Н. Журенков, г. Запорожье. PA 10" 2009
После публикации моей статьи «Сдвоенные динамические головки» («Радио» 5/1979) это техническое решение
вызвало большой интерес у радиолюбителей и разработчиков акустических систем. Об этом свидетельствуют
многочисленные письма радиолюбителей, статьи в журналах «Радиоаматор» и «Радио», проспект фирмы
«Jamo» 1985, выпустившей ряд АС со сдвоенными головками, книга Карлаша В. , «Справочник
радиолюбителя» Те-рещука Р. с соавторами и др.
Сдвоенные головки используются для более качественного воспроизведения низких частот звукового
диапазона. Сдвоенные головки типа «диффузор к диффузору» (рис.1) используются в АС только для
воспроизведения низких частот. Сдвоенные головки типа «диффузор за диффузором» (рис.2), в основном,
рекомендуется использовать в АС для воспроизведения всего звукового диапазона с применением
широкополосных головок.
Естественно, сдвоенные головки имеют параметры, отличающиеся от таких же одиночных, и требуют более
детального технико-экономического анализа, а АС с такими головками - доступных методик расчета. Понимая
это, я в 1979 году подготовил и направил статью по этому вопросу в журнал «Радио», но статья была
заблокирована рецензентом Иофе В.К. под предлогом неэффективности применения сдвоенных головок в АС.
Это говорит о том, что ученые и специалисты не сразу поняли суть физических процессов, происходящих в
сдвоенных головках.
И только в 1983 году, возможно, после зарубежной информации о выпуске АС со сдвоенными головками,
статьи о сдвоенных головках были разблокированы. Об этом свидетельствует статья радиолюбителя Жбанова
В. «О громкоговорителях со сдвоенными головками» («Радио» 2/1983). Автор сделал ряд грамотных выводов,
но в своей АС применил сдвоенную головку менее эффективного типа «диффузор за диффузором» и предложил
сдваивать среднечастотные головки , что недопустимо по причинам, которые будут изложены ниже. К
несчастью, эти ошибки попали и в «Справочник радиолюбителя» Терещука Р. В 1987 году Жбанов В. в статье
«Пути уменьшения габаритов акустических систем» предоставил результаты экспериментов, которые
показали, что только симметричная сдвоенная головка подавляет излучение четных гармоник и другие виды
искажений, а также предложил в один блок устанавливать п головок. Теоретически это возможно, а практически
такой блок из п головок будет иметь большие габариты, которые необходимо добавлять к расчетному объему
ящика. В результате этого общий объем ящика уменьшится не столь существенно, появятся фазовые сдвиги
звуковых волн даже в низкочастотном диапазоне из-за большого расстояния между крайними головками, и
неоправданно увеличатся стоимость АС, а также потребуется более мощный усилитель.
Другие авторы публикаций также допустили ряд существенных ошибок в своих конструкциях АС со
сдвоенными головками. Кратко в качестве примеров можно привести три статьи из разных журналов. Автор
Алейнов А. в статье «НЧ излучатель с симметричной магнитной системой» («Радио» 2/2001) предложил
сложную нетехнологичную и, очевидно, чисто теоретическую конструкцию, т.к. изготовить ее в любительских
условиях просто невозможно. Кроме того, вместо обещанного автором звучания она будет иметь плохие
параметры, т.к. внутренний демпфер будет увеличивать путь, искривлять и препятствовать свободному
движению звуковых волн между диффузорами. Увеличение пути движения звуковой волны от внутреннего
диффузора к внешнему может привести к ощутимым фазовым сдвигам даже на низких частотах, что приведет к
искажению АЧХ.
Автор Синецкий Б. в статье «Две конструкции АС» («Радиоаматор» 1/2000, рис.3) сдвоил разнотипные головки,
что недопустимо, а также нерационально выделил большой объем для широкополосной головки. Грамотной и
оригинальной является конструкция АС со сдвоенной головкой радиолюбителя Гурина С., приведенная в статье
«Акустическое оформление громкоговорителя» («Радио» 4/1991).
Большинство авторов не приводят параметров, расчетов ящиков АС, сравнительных характеристик и хотя бы
простых измерений АЧХ через микрофон в реальных условиях, т.е. в помещениях, где АС будет
использоваться. В этом есть и объективная причина - отсутствие современных научно-популярных изданий по
акустике и дефицит ранее изданной фундаментальной литературы по электродинамическим головкам и АС. В
основном радиолюбители добиваются результатов путем экспериментов, что довольно накладно, т.к.
изготовление любой АС очень трудоемкий процесс.
Прежде чем перейти к особенностям конструирования АС со сдвоенными головками необходимо привести
анализ физических процессов, происходящих в сдвоенных головках и влияющих на их основные параметры.
Физические процессы в головках, сдвоенных по типам «диффузор к диффузору» и «диффузор за диффузором»
одинаковы. Разница между этими типами состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем будет
описано ниже.
Диффузоры сдвоенных головок связаны между собой объемом воздуха, заключенного между ними. Этот объем
должен быть герметизирован во избежание нежелательных явлений . Оба диффузора при воспроизведении
звукового сигнала движутся синфазно, т.е. либо оба наружу, либо оба внутрь ящика АС.
Диффузор наружной головки излучает звуковые волны во внешнее воздушное пространство, а диффузор
внутренней головки, двигаясь наружу, сжимает воздух между диффузорами, помогая наружному преодолевать
сопротивление воздуха внешнего пространства и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же
одиночной головкой, при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Двигаясь в обратном
направлении, диффузор внутренней головки разрежает воздух между диффузорами и сжимает воздух внутри
ящика, помогая наружному диффузору совершать большую амплитуду в обратном направлении, т.е. диффузор
внешней головки как бы «имеет дело» с ящиком большего объема, чем фактический. Этим объясняется
реализация мощности, подводимой к внутренней головке, которая не излучает звуковые сигналы во внешнее
пространство, а возбуждает звуковые волны в объеме воздуха, заключенного межу диффузорами, которые
должны быть синфазными с колебаниями внешнего диффузора. Идеально синфазными они быть не могут, т.к.
звуковые волны от внутреннего диффузора к внешнему проходят какое-то расстояние, поэтому сдвиг фаз
неизбежен. По этой причине сдвоенные головки могут работать только в том диапазоне частот, в котором
длины звуковых волн не соизмеримы с расстоянием между их диффузорами, т.е. только в низкочастотном
диапазоне звукового спектра частот. 
Например, для верхней частоты НЧ диапазона 150 Гц сдвиг фаз между колебаниями диффузоров сдвоенных
головок типа 6ГД-2 составит 0,022 длины волны, а на более низких частотах сдвиг фаз будет еще меньше, что
практически не внесет никаких искажений.
Для верхней частоты СЧ диапазона 5 кГц сдвиг фаз между колебаниями диффузоров сдвоенных головок типа
ЗГД-1 составит 0,43 длины волны, а это значит, что звуковая волна от внутреннего диффузора к внешнему
придет практически в противофазе и создаст полный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той
причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки.
По этой же причине при сдваивании широкополосных головок по типу «диффузор за диффузором» для
воспроизведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуковую катушку внутренней
головки заблокировать от воздействия средних и высоких частот . Схемы параллельного и
последовательного подключения головок показаны на рис.3. При этом эффект сдвоенной головки типа
«диффузор за диффузором» будет проявляться только в НЧ диапазоне, а остальные частоты будут
воспроизводиться только внешней головкой. Естественно, АС со сдвоенными широкополосными головками не
могут быть высококачественными, но более качественными, чем в обычном исполнении.
Для высококачественных АС рекомендуется сдваивать головки по типу «диффузор к диффузору» и только для
Воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет четные гармоники, которые вызывают
ощутимые нелинейные искажения, особенно вторая гармоника, как самая большая по амплитуде.
Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложены в их технологии производства,
традиционных конструкциях магнитных систем, обладающих несимметричным и неравномерным
распределением магнитной индукции в магнитном воздушном зазоре , несимметричной конической формой
диффузоров, обладающих «парашютным эффектом сопротивления воздуху», несимметричном размещении
звуковых катушек в магнитном зазоре и нелинейной гибкости подвесов подвижных систем . Для одиночной
головки распределение магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы несимметрично (рис.4,а).
В сдвоенной головке типа «диффузор к диффузору»:
результирующее распределение магнитной индукции в воздушном зазоре эквивалентной магнитной системы
становится симметричным (кривая Всг на рис.4,6);
нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенсируется;
результирующая форма диффузора становится симметричной;
несимметричное расположе-1 ние звуковых катушек в магнитных воздушных зазорах! устраняется путем
подбора экземпляров головок с одинаковой несимметричностью.
В сдвоенной головке типа «диффузор за диффузором» устраняется только несимметричное расположение
звуковых катушек в воздушных магнитных зазорах путем подбора экземпляров головок с противоположной
несимметричностью .
Номинальная мощность
электродинамической головки
это наибольшая мощность, при которой параметры головки соответствуют паспортным данным, а
максимальная мощность
это наибольшая мощность, при которой головка может длительно работать без повреждений. Эти мощности у
сдвоенной головки любого типа в два раза больше, чем у аналогичной одиночной головки.
Электрическое сопротивление
электродинамической головки представляет собой отношение напряжения к
электрическому току звуковой катушки. Эта величина комплексная, которая зависит от частоты звукового
сигнала и достигает максимума на частоте основного резонанса . В заводских паспортах приводится
номинальное электрическое сопротивление. У сдвоенных головок любого типа при последовательном
соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном - в два раза меньше, чем у
аналогичной одиночной головки.
Амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависимость
звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала при неизменной подводимой мощности к звуковой
катушке. Все выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравномерные АЧХ , причем АЧХ разных
экземпляров одного итого же типа головок имеютразную неравномерность и несколько отличные частоты
основного резонанса подвижных систем. В сдвоенных головках пики и провалы в НЧ диапазоне частично
компенсируются, и АЧХ получается более сглаженной, а в СЧ и ВЧ диапазонах сдвоенные головки не работают
по указанным выше причинам .
Среднее стандартное звуковое давление
электродинамической головки представляет собой среднеквадратичное
значение звуковых давлений в ее полосе частот на расстоянии 1 м при подводимой мощности 0,1 Вт [ 1 ] и
зависит от мощности и КПД. Динамические головки одной и той же мощности, отличающиеся диаметром
диффузоров, магнитной индукцией в воздушных магнитных зазорах, массой подвижных систем и гибкостью
подвесов подвижных систем отличаются КПД и создают разные звуковые давления.
Коэффициент полезного действия
(КПД) электродинамической головки зависит от параметров ее
конструктивных элементов. Наибольшее звуковое давление (громкость) создают головки с наибольшим, легким
диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с другими головками такой же мощности.
Однако такие головки требуют большего объема ящика АС, который, как будет показано ниже, прямо
пропорционален эффективной площади диффузора, гибкости подвеса подвижной системы и обратно
пропорционален массе подвижной системы. В сдвоенной головке эффективная площадь диффузора и гибкость
подвеса подвижной системы в два раза меньше, масса подвижной системы в два раза больше, чем у двух
одиночных головок (в расчетах объема ящика АС масса каждой головки учитывается отдельно).
В связи с этим КПД сдвоенной головки уменьшается в 1,41 раз, однако это окупается снижением всех видов
искажений,
нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и объема ящика АС, который в четыре раза меньше,
чем в традиционном варианте :
Vэ.сг = (Vэ.1+Vэ.2)/4 где
Vэ.сг - эквивалентный объем сдвоенной головки;
Vэ.1 + Vэ.2 - эквивалентные объемы одиночных головок.
Частота основного резонанса электродинамической головки, содержащей подвижную систему, обладающую
массой и гибкостью, представляет собой механическую резонансную систему. Частота основного резонанса
определяется максимальной амплитудой колебаний диффузора при одной и той же мощности [ 1 ].
Частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется. Объем ящика АС определяется из
зависимости частоты основного резонанса головки от его объема. При установке любой головки в ящик
закрытого типа частота основного резонанса повышается и тем больше, чем меньше объем ящика. Основным
параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропорциональна его объему
и обратно пропорциональна эффективному диаметру диффузора . Гибкость воздуха в большей степени
зависит от диметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдвоенной
головки относительно двух одиночных существенно повышает ее. Эффективный диаметр диффузора сдвоенной
головки меньше в 1,41 раз по сравнению с двумя одиночными головками.
Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует
дополнительных затрат труда и материалов. Проще, исходя из параметров головок, подлежащих сдваиванию, и
желаемого результата задать новую частоту основного резонанса и рассчитать его объем по известной методике
. Если ящик окажется больше желаемого, тогда придется выбрать несколько выше частоту основного
резонанса и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее трудоемко, чем изготовление проверочного
ящика. В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС пригодны для
конструирования АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с
рупором, ПАС и т.п.). Для более рационального использования объема ящика АС рекомендуются варианты
установки сдвоенных головок, показанные на рис.5.
Выходные отверстия могут быть круглыми или прямоугольными, закрытыми декоративными решетками. В
качестве материала для ящиков рекомендуется применять ДСП, которая более доступна и не издает призвуков
как фанера или доска.
Литература
1. Эфрусси М. Громкоговорители и их применение. М. «Энергия», 1976.
2. Журенков А. Сдвоенные динамические головки // Радио. - 1979. -№4.
3. Жбанов В. О громкоговорителях со сдвоенными головками // Радио. - 1983. - №2.
4. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем // Радио. - 1987. - №2.
5. Карлаш В. Любительские стереоконструкции. - К.: Техника, 1983.
6. Алдошина И., Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели. -М.: Радио и связь,
1985.
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.
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
В статье автора, предложившего в 70-х годах конструкцию сдвоенных динамических головок, рассказано об особенности расчета акустических систем с такими головками. Их достоинства - в снижении нелинейных искажений на низких частотах и уменьшении эквивалентного объема воздуха для подобных излучателей.
Традиционные динамические голов-1 ки имеют ряд недостатков среди которых наиболее существенны заметная неравномерность АЧХ и нелинейные искажения, возрастающие с увеличением мощности и понижением частоты звуковых сигналов.
Эти недостатки обусловлены конструкцией динамических головок (несимметричная форма диффузора, неравномерное и несимметричное распределение магнитной индукции в воздушном магнитном зазоре, нелинейность гибкости подвеса подвижной системы и др.), а также технологией их производства .
Искажения звуковых сигналов особенно ощутимы в низкочастотном диапазоне, где для высококачественного воспроизведения музыкальных сигналов необходима мощность значительно больше, чем для воспроизведения средних и высоких звуковых частот.
Работы по совершенствованию конструкций и технологии производства динамических головок ведутся постоянно. При этом разрабатывают новые формы магнитных систем, звуковых катушек, диффузоров, подвесов подвижных систем, применяют новые материалы.
Качество воспроизведения АС с современными динамическими головками существенно повысилось и удовлетворяет большинство потребителей, но конструкция головок остается несимметричной. Добиться полной симметрии электромеханической системы в традиционной конструкции динамической головки пока не удается.
Для уменьшения четных гармоник в излучении низкочастотных колебаний электродинамическими головками некоторые зарубежные фирмы стали устанавливать в колонку четыре однотипные головки, размещая на передней панели одну пару диффузорами наружу, а другую пару - диффузорами внутрь ящика, как, например, в низкочастотном блоке АС Audio-Pro В4-2000 .
Установка большого числа одинаковых головок на лицевой панели колонки при расширенной полосе частот создает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности излучения.
Оптимальный вариант в решении вопроса высококачественного воспроизведения низких частот и получения диаграммы направленности излучения без провалов - установка одной пары сдвоенных головок необходимой мощности по типу "диффузор к диффузору". Такое расположение стали применять в выпускаемых зарубежными фирмами АС через несколько лет после опубликования статьи о сдвоенных динамических головках .
Сдвоенные динамические головки используются зарубежными фирмами и радиолюбителями при изготовлении акустических систем (АС) для высококачественного воспроизведения низких частот звукового диапазона.
Примером могут быть АС датской фирмы JAMO (JAMO PUSH-PULL, JAMO РР3000) и АС С. Гурина . Сдвоенные головки типа "диффузор к диффузору" (рис. 1 слева) используются в АС только для воспроизведения низких частот.
Сдваивание обычных НЧ головок по этому типу позволяет простым путем получить симметричную конструкцию, превосходящую по нелинейным и частотным искажениям современную НЧ головку аналогичной мощности.
Сдвоенные головки типа "диффузор за диффузором" (рис. 1 справа) в основном рекомендуется использовать в АС небольшой мощности для воспроизведения всего звукового диапазона с применением широкополосных головок. Для повышения качества воспроизведения высоких частот рекомендуется такие АС дополнить высокочастотной головкой.
Рис. 1. Сдвоенные головки типа диффузор к диффузору и диффузор за диффузором.
Параметры сдвоенных динамических головок отличаются от параметров одиночных. Детального технико-экономического анализа и расчетов АС с такими головками в литературе нет, поэтому часть публикаций в журналах по использованию сдвоенных головок содержат наряду с правильными выводами грубые ошибки.
Прежде чем перейти к особенностям расчета громкоговорителей со сдвоенными головками, полезно привести анализ физических процессов, происходящих в них и влияющих на их основные параметры, для исключения ошибок при конструировании АС. Физические процессы в головках, сдвоенных по типам "диффузор к диффузору" и "диффузор за диффузором", одинаковы. Разница между ними состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем детально будет описано ниже.
Диффузоры сдвоенных головок связаны между собой объемом воздуха, заключенного между ними. Этот объем должен быть герметизирован во избежание нежелательных явлений .
Оба диффузора при воспроизведении звукового сигнала движутся синфазно, т. е либо оба наружу, либо оба внутрь корпуса АС Диффузор наружной головки излучает звуковые волны во внешнее воздушное пространство, а диффузор внутренней головки помогает наружному преодолевать упругость воздуха внутри корпуса громкоговорителя, имитируя ящик большего объема, и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же одиночной головной при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Объем воздуха между диффузорами в некоторой степени оказывается присоединенной массой, влияя на фактические параметры этого тандема.
Звуковые колебания в объеме воздуха, заключенного между диффузорами, должны быть синфазными с колебаниями внешнего диффузора. Однако идеально синфазными в широкой полосе они быть не могут, так как с ростом частоты сдвиг по фазе акустических колебаний от внутреннего диффузора и собственно колебаний внешнего диффузора нарастает.
По этой причине сдвоенные головки могут корректно работать только в той полосе частот, в которой длина звуковых волн много больше расстояния между их диффузорами, г. е. только в низкочастотной части звукового спектра. Например, для верхней частоты FH4 150 Гц полосы НЧ длина волны (формула):
где Сзв - скорость звука в воздухе (м/с).
Среднее расстояние г между диффузорами сдвоенных головок 6ГД-2 РРЗ равно 5 см, и разница в фазе колебаний внешнего диффузора и акустических колебаний от внутреннего диффузора составляет (формула):
На более низких частотах этот фазовый сдвиг еще меньше, и это практически не вносит искажений при воспроизведении реальных звуковых сигналов в полосе НЧ.
Для верхней частоты полосы СЧ, равной 5 кГц, длина волны составит фсч = 344/5000 = 0,069 м = 6.9 см. Среднее расстояние г между диффузорами сдвоенных головок ЗГД-1 РРЗ равно 3 см, и разница в фазе колебаний составит(формула):
То есть звуковая волна от внутреннего диффузора к внешнему придет практически в противофазе и создаст значительный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки, тем более что на этих частотах амплитуды колебаний звуковой катушки и диффузора СЧ головки значительно меньше, чем у НЧ головок. Это позволяет обеспечить высокое качество звучания средних частот в традиционном варианте соответствующими современными головками.
По этой же причине при сдваивании широкополосных головок для воспроизведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуковую катушку внутренней головки зашунтировать конденсатором соответствующей емкости, сопротивление которого на частоте 1000 Гц примерно в десять раз меньше модуля электрического сопротивления головки .
При этом эффект сдвоенных головок проявится только в полосе НЧ, а сигналы более высоких частот будут воспроизводиться только внешней головкой Для таких АС рекомендуется сдваивать головки по типу "диффузор за диффузором".
Широкополосные головки лучше воспроизводят средние и высокие частоты передней частью диффузора, а некоторые из них снабжены дополнительным конусом для воспроизведения высших частот.
Естественно, в АС со сдвоенными широкополосными головками качество воспроизведения низких частот существенно улучшится, а объем ящика уменьшится по сравнению с применением в АС таких же одиночных головок. При сдваивании их по типу "диффузор к диффузору" средние и высокие частоты ослабляются фильтром НЧ кроссовера.
Схемы соединений сдвоенных головок приведены на рис. 2 в соответствии с конструктивным способом сдваивания. Варианты соединения по схемам на рис. 2, а,б не требуют дополнительного блокирования головки внутри корпуса на частотах, где задержка по фазе становится существенной. При "тандемном” объединении, как показано на рис. 2, в, г, задержка по фазе больше, поэтому необходимы блокирующие реактивные цепи для ограничения полосы эффективного излучения тыловой головки (ВА2).
Рис. 2. Схемы соединений сдвоенных динамических головок.
При объединении в один блок более двух головок появятся недопустимые фазовые сдвиги звуковых волн между крайними головками даже в низкочастотном диапазоне из-за большого расстояния между ними, а увеличенные габариты этого блока необходимо добавить к расчетному объему ящика АС.
В результате общий объем АС уменьшится не столь существенно, как при сдвоенных головках, но неоправданно увеличится стоимость АС и более мощного усилителя.
Кроме того, амплитуда колебаний диффузора наружной излучающей головки в этом случае не может возрасти больше, чем это получается при сдваивании двух головок из-за ограниченных возможностей подвеса и звуковой катушки. Совершенно очевидно, что, кроме существенных потерь в КПД и полезном объеме ящика АС, в результате увеличения числа головок ничего не получится.
Для высококачественных АС рекомендуется сдваивать головки по типу "диффузор к диффузору", и только для воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет все виды искажений , особенно четные гармоники, которые вызывают ощутимые нелинейные искажения .
Приведенный ниже сравнительный анализ покажет что основные параметры сдвоенных головок, касающиеся качества воспроизведения звуковых сигналов, существенно выше одиночных.
Нелинейные искажения
Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложены в традиционные конструкциях магнитных систем с несимметричным и неравномерным распределением магнитной индукции в магнитном воздушном зазоре и несимметричной конической формой диффузоров, обладающих "парашютным эффектом” сопротивления воздуху, а также несимметричным размещением звуковых катушек в магнитной системе и нелинейной гибкостью подвесов подвижных систем .
Рис. 3. Сечение звуковой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индукции.
В сдвоенных головках по типу "диффузор к диффузору" достигаются следующие эффекты:
- нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенсируется:
- результирующая форма излучателя становится симметричной;
- компенсируется несимметричное расположение звуковых катушек в магнитных системах; это наиболее полно достигается путем подбора экземпляров головок с одинаковым смещением звуковых катушек, вызванным погрешностью в сборке,
- результирующее смещение подвижной системы в поршневом диапазоне сдвоенных головок становится симметричным относительно магнитной системы вследствие компенсации силы притяжения звуковой катушки с током к магнитопроводу и неравномерности магнитной индукции в зазоре магнитной системы.
На рис. 3 показаны сечение звуковой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индукции В1 и В2 в области зазоров сдвоенных головок ВА1. ВА2. Значения х, и х2 соответствуют глубине зазора.
В головках, сдвоенных по типу "диффузор за диффузором", устраняются только несимметричное расположение звуковых катушек в воздушных магнитных зазорах путем подбора экземпляров головок с противоположным смещением звуковых катушек, а также неравномерность АЧХ в низкочастотной полосе .
Паспортная мощность
Паспортная мощность электродинамической головки - это мощность, при которой головка может длительно работать без повреждений Эти мощности у сдвоенных головок любого типа в два раза больше, чем у аналогичных одиночных головок.
Электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление электродинамической головки - величина комплексная, которая зависит от частоты звукового сигнала и достигает максимума по модулю на частоте основного резонанса . V сдвоенных головок любого типа при последовательном соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном - в два раза меньше. чем у аналогичных одиночных головок.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависимость звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала при неизменной подводимой к звуковой катушке мощности.
Все выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравномерные АЧХ , причем АЧХ разных экземпляров одного и того же типа головок имеют разную неравномерность и несколько отличные частоты основного резонанса подвижных систем.
В сдвоенных головках пики и провалы в полосе НЧ частично компенсируются и АЧХ получается более гладкой, а в полосах СЧ и ВЧ эти головки не работают как сдвоенные по указанным выше причинам.
Коэффициент полезного действия (КПД)
Коэффициент полезного действия (КПД) электродинамической головки зависит от параметров ее конструктивных элементов (формула):
где к - коэффициент пропорциональности, учитывающий удельное сопротивление медного провода и объем звуковой катушки; В - магнитная индукция в воздушном магнитном зазоре; Sзфф - эффективная площадь диффузора; М, - масса подвижной системы.
Из этого соотношения следует, что наибольшее звуковое давление (громкость) создают головки с наибольшим, легким диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с другими головками такой же мощности.
Однако такие головки требуют большего объема ящика АС, который, как будет показано ниже, прямо пропорционален эффективной площади диффузора, гибкости подвеса подвижной системы и обратно пропорционален массе подвижной системы. В сдвоенных головках эффективная площадь диффузора и гибкость подвеса подвижной системы в два раза меньше, а масса подвижной такая же, как у двух одиночных головок.
В связи с этим результирующий КПД сдвоенных головок уменьшается, однако это окупается снижением всех видов искажений, нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и уменьшением объема ящика АС .
Эквивалентный объем ЭДГ
Эквивалентный объем электродинамической головки - это объем воздуха в ящике, гибкость которого равна гибкости подвижной системы головки. В сдвоенной головке подвесы работают параллельно, поэтому результирующая гибкость ее в два раза меньше одной одиночной. Соответственно эквивалентный объем сдвоенной головки в два раза меньше одной и в четыре раза - двух одиночных головок (формула):
где Vосг - эквивалентный объем сдвоенной головки; Vэ1. Vэ2 - эквивалентные объемы одиночных головок.
Частота основного резонанса ЭДГ
Частота основного резонанса электродинамической головки с подвижной системой в виде диффузора гофра, центрирующей шайбы и звуковой катушки, обладающей массой и гибкостью, представляет собой механическую резонансную систему. Частота резонанса (в герцах) определяется выражением из Г11 (формула):
где М, - масса подвижной системы; Сп - гибкость подвеса подвижной системы.
В сдвоенных головках Мг в два раза больше, а Сп в два раза меньше, чем у одиночных головок, поэтому, если не учитывать массу воздуха между диффузорами, частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется.
Приведенных параметров достаточно для расчета АС со сдвоенными головками. Методика расчета подобных АС такая же, как и с одиночными головками. Особенность же заключается в правильном определении параметров сдвоенных головок исходя из параметров используемых одиночных головок.
Объем ящика АС определяется из зависимости частоты основного резонанса головки от его объема. При установке любой головки в ящик закрытого типа частота основного резонанса повышается, и тем больше, чем меньше объем ящика.
Основным параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропорциональна его объему и обратно пропорциональна эффективному диаметру диффузора в четвертой степени , формула:
Из этой зависимости следует, что гибкость воздуха в большей степени зависит от диаметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдвоенной головки относительно двух одиночных существенно повышает Ся.
Нельзя считать, что эквивалентный диаметр сдвоенных головок в два раза меньше двух одиночных. Пересчет нужно вести через эффективную площадь диффузоров, т. е. эквивалентный диаметр двух одиночных головок будет равен по формуле:
Эффективный диаметр диффузора сдвоенных головок меньше в 1,41 раза по сравнению с эквивалентным эффективным диаметром двух одиночных головок.
Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует дополнительных затрат труда и материалов Проще, исходя из параметров головок, подлежащих сдваиванию, и желаемого результата, задать новую частоту основного резонанса fр нов и определить объем ящика по формуле:
где р - плотность воздуха (1,2 кг/м3); с - скорость звука в воздухе (344 м/с); fp - частота основного резонанса головки (Гц); Sд эфф - эффективная площадь диффузора (м2); Мг - масса подвижной системы головки (кг).
Если ящик окажется больше желаемого, тогда придется выбрать несколько выше fр нов„ и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее трудоемко, чем изготовление проверочного ящика.
Эта формула также показывает, что объем ящика АС со сдвоенными головками значительно меньше традиционного варианта, так как эффективная площадь диффузора в два раза меньше, а масса подвижной системы в два раза больше.
В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС. с учетом приведенных выше изменений параметров, пригодны для конструирования АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с рупором, ПАС и т. п.). При конструировании АС со сдвоенными головками необходимо учитывать, что головки вместе с элементами креп
Рис. 4. Варианты акустического оформления.
ления занимают определенный объем, который необходимо прибавлять к рассчитанному объему ящика. Максимальное качество звучания достигается при установке сдвоенных головок в фазоинвертор. Для более рационального использования объема ящика АС автором разработана высококачественная АС с применением НЧ узла, защищенного авторским свидетельством .
Также рекомендуются варианты установки сдвоенных головок, приведенные на рис. 5. Выходные отверстия могут быть круглыми, овальными или прямоугольными, открытыми или закрытыми декоративными решетками. В качестве материала для ящиков рекомендуется применять ДСП которая более доступна и не издает призвуков, как фанера или доска.
Учитывая, что внутренняя головка демпфирует отраженные звуковые волны внутри ящика , звукопоглощающее покрытие внутренних стенок можно не применять.
Все варианты акустического оформления на рисунке 4 предусматривают связь с внешним воздушным пространством через некоторое подобие рупора, который улучшает согласование высокого механического сопротивления электромеханической системы сдвоенных динамических головок с низким сопротивлением излучения, что дополнительно повышает качество звучания АС.
А. Журенков, г. Запорожье, Украина. Р-2010-05.
Литература:
- Эфрусси М. Громкоговорители и их применение, 1976.
- Алдошина И., Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели, 1985.
- Журенков А. Сдвоенные динамические головки. Р-1979-4.
- Проспект фирмы JAMO. Danish 1985.
- Гурин С. Акустическое оформление громкоговорителей. Р-1991-4.
- Жбанов В. О громкоговорителях со сдвоенными головками. Р-1983-2.
- Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем. Р-1987-2.
- Журенков А. АС со сдвоенной головкой. Р-1989-4.
- Журенков А. Низкочастотный узел акустической системы.