8.3. Рупорные громкоговорители .

Одним из самых распространенных видов аудиоаппаратуры широко используемой в настоящее время являются рупорные громкоговорители .По ГОСТ 16122-87 рупорный громкоговоритель определяется как "громкоговоритель-акустическим оформлением которого является жесткий рупор" .Таким образом,рупор можно считать полноправным акустическим оформлением наряду с рассмотренными ранее в разделе 8.2.3. Способность рупоров усиливать и направлять звук в нужном направлении (давно используемая при создании музыкальных инструментов) привели к тому,что рупорные громкоговорители стали применяться с самого начала развития электротехники,они появились даже раньше чем диффузорные громкоговорители.

Однако создание реального рупорного громкоговорителя с конструкцией очень близкой к современной, начинается с 1927 года, когда известные инженеры фирмы Bell laboratories (США) А.Тhuras and D.Wente разработали и на следующий год запатентовали "компрессионный рупорный излучатель". В качестве громкоговорителя(драйвера) использовался электромагнитный преобразователь с бескаркасной катушкой из намотанной на ребро алюминиевой лентой. Диафрагма драйвера была сделана из обращенного вниз алюминиевого купола. Уже тогда использовалась и предрупорная камера и так называемое тело Венте (о них подробнее расскажем позже). Первая серийно выпускаемая промышленностью модель 555/55W (ф."Western Electric) широко применялась в кинотеатрах 30-х годов.

Значительным шагом по пути расширения диапазона в сторону низких частот было изобретение P.Voigt(Англия),где впервые было предложено использовать «свернутые” рупора, которые широко применяются в настоящее время. Впервые сложные конструкции свернутых низкочастотных рупоров для высококачественных акустических систем были разработаны Paul Klipsh в 1941г и получили название Клипшхорн.На базе этой конструкции с рупорным оформлением фирма до сих пор производит высококачественные акустические системы.

Необходимо отметить, что в России первые образцы рупорных громкоговорителей были созданы в 1929г (инж.А.А.Харкевич и К.А.Ломагин).Уже в 1930-31гг были разработаны мощные до 100вт рупорные громкоговорители для озвучивания Красной и Дворцовой площади.

В настоящее время область применения рупорных громкоговорителей чрезвычайно широка, это и системы озвучивания улиц, стадионов, площадей, системы звукоусиления в различных помещениях, студийные мониторы, портальные системы, бытовые высококачественные системы, системы оповещения и др.

Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены прежде всего тем, что они обладают большей эффективностью, их КПД составляет 10%-20% и более (в обычных громкоговорителях КПД меньше 1-2%); кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления.

Принцип их работы состоит прежде всего в том, что рупорный громкоговоритель (РГ) является трансформатором акустического импеданса. Одной из причин низкой эффективности ГГ прямого излучения является большая разность в плотности между материалом диафрагмы и воздухом, а следовательно и малое сопротивление (импеданс) воздушной среды колебаниям громкоговорителя. Рупорный громкоговоритель (за счет использования рупора и предрупорной камеры) создает дополнительную нагрузку на диафрагму, что обеспечивает лучшие условия согласования импедансов и тем самым увеличивает излучаемую акустическую мощность. Это дает возможность получить большой динамический диапазон, меньшие нелинейные искажения, лучшие переходные искажения и обеспечить меньшую нагрузку на усилитель. Однако, при использовании рупорных громкоговорителей возникают специфические проблемы: для излучения низких частот, необходимо значительно увеличивать размеры рупора, кроме того большие уровни звукового давления в малой предрупорной камере создает дополнительные нелинейные искажения и т. д.

Классификация: рупорные громкоговорители можно разделить на два крупных класса- широкогорлые и узкогорлые . Узкогорлые РГ состоят из купольного громкоговорителя специальной конструкции, называемого драйвером, рупора и предрупорной камеры (часто с дополнительным вкладышем,называемом фазосдвигателем или телом Венте).Широкогорлые РГ используют обычные мощные динамические головки громкоговорителей прямого излучения и рупор, диаметр горла которого равен диаметру головки.

Кроме того, они могут быть классифицированы по форме рупора: экспоненциальные, свернутые, многоячеистые, биполярные, радиальные и др. Наконец, их можно разделить по частотной области воспроизведения :низкочастотные(как правило, свернутые),средне- и высокочастотные, а также по области применения в служебной связи(например, мегафоны),в концертно-театральной аппаратуре(например, в портальных системах),в системах озвучивания и др.

Основы устройства: основные элементы узкогорлого рупорного громкоговорителя, показанные на рис.8.32,включают в себя: рупор, предрупорную камеру и драйвер.

Рупор - представляет собой трубу переменного сечения, на которую нагружен драйвер. Как уже было отмечено выше, он является одним из разновидностей акустического оформления. Без оформления громкоговоритель не может излучать низкие частоты из-за эффекта короткого замыкания. При установке громкоговорителя в бесконечный экран или в другой вид оформления излучаемая им акустическая мощность зависит от активной составляющей сопротивления излучения Рак=1/2v 2 Rизл. Реактивная составляющая сопротивления излучения определяет только присоединенную массу воздуха.На низких частотах,когда длина волны больше размеров излучателя,вокруг него распространяется сферическая волна,при этом на низких частотах излучение мало,преобладает реактивное сопротивление,по мере повышения частоты возрастает активное сопротивление,которое в сферической волне равно R изл =  cS(ka) 2 /2 (в плоской волне оно больше и равно R изл=  с S ),S-площадь излучателя, а - его радиус, к- волновое число. Особенностью сферической волны является еще и то, что в ней давление достаточно быстро падает пропорционально расстоянию p~1/r . Обеспечить излучение на низких частотах(т.е. устранить эффект короткого замыкания)и приблизить форму волны к плоской можно, если излучатель поместить в трубу сечение которой возрастает постепенно. Такая труба и называется рупором.

Входное отверстие рупора, в котором располагается излучатель называется горлом, а выходное отверстие, излучающее звук в окружающую среду, - устьем. Поскольку рупор должен увеличивать нагрузку на диафрагму, горло должно иметь маленький радиус(площадь),только при этом происходит эффективная трансформация энергии. Но при этом он должен иметь достаточно большой диаметр устья, т.к. в узких трубах,где длина волны- -больше радиуса выходного отверстия -а-,(т.е. выполняется условие >8a),большая часть энергии отражается обратно, создавая стоячие волны, это явление используется в музыкальных духовых инструментах. Если отверстие трубы становится больше (<a/3),то Rизл приближается к сопротивлению воздушной среды и волна беспрепятственно излучается в окружающее пространство устьем рупора.

Форма образующей рупора должна быть выбрана таким образом, чтобы уменьшить "растекание" энергии, т.е. быстрый спад звукового давления,следовательно трансформировать сферическую форму фронта волны таким образом, чтобы она приближался к плоской волне, что увеличивает сопротивление излучения (в плоской волне оно выше чем в сферической) и уменьшает скорость убывания давления; кроме того, выбор формы образующей позволяет концентрировать звуковую энергию в заданном угле, т. е. формирует характеристику направленности.

Таким образом, рупор должен иметь небольшие размеры горла, причем сечение у горла должно медленно возрастать, размеры же устья следует увеличивать. Чтобы большие размеры устья могли быть достигнуты при приемлемой осевой длине рупора, скорость возрастания сечения рупора должна возрастать по мере увеличения площади сечения(рис.8.33). Этому требованию отвечает, например, экспоненциальная форма рупора:

Sx=S 0 e  x , (8.2)

где Sо - сечение горла рупора; Sx - сечение рупора на произвольном расстоянии х от горла; - показатель расширения рупора. Единицей измерения  является 1/м. Показатель расширения рупора есть величина, измеряемая изменением сечения рупора, приходящимся на единицу его осевой длины. Экспоненциальный рупор изображен на рис. 2, где показано, что отрезку осевой длины рупора dL соответствует постоянное относительное изменение сечения. Анализ волновых процессов, происходящих в экспоненциальное рупоре, показывает, что сопротивление излучения, на которое нагружен излучатель, зависит от частоты (рис.8.34). Из графика следует, что в экспоненциальном рупоре волновой процесс возможен лишь при условии, что частота колебаний излучателя превышает некоторую частоту, называемую критической (fкр). Ниже критической частоты активная составляющая сопротивления излучения рупора равна нулю, сопротивление является чисто реактивным и равным инерционному сопротивлению массы воздуха в рупоре. Начиная с некоторой частоты, которая примерно на 40% выше критической, активное сопротивление излучения превышает реактивное, поэтому излучение становится достаточно эффективным. Как следует из графика на рис.8.34, на частотах, более чем в четыре раза превышающих критическую частоту, сопротивление излучения остается постоянным. Критическая частота зависит от показателя расширения рупора следующим образом:  кр=  с/2, где с - скорость звука. (8.3)

При значении скорости звука в воздухе при температуре 20град 340м/сек, можно получить следующее соотношение между показателем расширения рупора  и критической частотой f кр (Гц): ~0,037f кр.

От показателя расширения рупора зависит не только величина критической частоты рупора, а следовательно, и частотная характеристика сопротивления излучения, но и габариты рупора. Осевая длина рупора может быть определена из формулы (1) при х=L как:

L=1/  ln S l / S 0 (8.4)

Из выражения (3) можно сделать следующий вывод: поскольку для снижения критической частоты рупора следует уменьшать показатель расширения рупора(2), осевая длина рупора L должна при этом увеличиваться. Эта зависимость составляет главную проблему использования рупорных громкоговорителей в высококачественных акустических системах и служит причиной применения "свернутых" рупоров. Следует указать, что при построении графика сопротивления излучения экспоненциального рупора (рис.8.36) не учтено отражение волн от устья внутрь рупора, которое всегда частично имеет место для рупоров конечной длины. Образующиеся при этом стоячие волны создают некоторые колебания в значениях сопротивления излучения. Отражение звука от устья рупора происходит только в области нижних частот. При увеличении частоты акустические свойства сред (в рупоре и вне рупора) выравниваются, отражение звука внутрь рупора не происходит, входное акустическое сопротивление рупора остается почти постоянным.

Предрупорная камера: поскольку излучаемая акустическая мощность громкоговорителя зависит от активного сопротивления излучения и колебательной скорости излучателя, то для ее увеличения в узкогорлых рупорных громкоговорителях используется принцип акустической трансформации сил и скоростей, для чего размеры горла рупора 2 в несколько раз уменьшают в сравнении с размерами излучателя 1 (рис.8.35). Образующийся объем между диафрагмой и горлом рупора 3 называется предрупорной камерой. Можно условно представить ситуацию в предрупорной камере как колебания поршня, нагруженного на широкую трубу площадью S 1, переходящую в узкую трубу S 0 (рис.8.35).Если бы поршневая диафрагма была нагружена только на широкую трубу с площадью равной площади диафрагмы (широкогорлый рупор),то ее сопротивление излучения было бы равно R изл=  с S 1 ,и излучаемая ею акустическая мощность приближенно была бы равна Ра= 1/2R изл v 1 2 =1/2  с S 1 v 1 2 (эти соотношения строго выполняются только для плоской волны,но могут быть при определенных допущениях применяться и в данном случае.)При установке диафрагмы в предрупорную камеру, т.е. нагрузке ее на вторую трубу с узким входным отверстием, возникает дополнительное сопротивление(импеданс)колебаниям диафрагмы (за счет отраженной волны возникающей на стыке двух труб).Величина этого импеданса Z L (отнесенного к месту входа во вторую трубу т.е. при х=L)может быть определена из следующих соображений: если допустить, что воздух в предрупорной камере несжимаем, то давление р, которое создается в камере при действии силы F 1 на поршень(диафрагму) площадью S 1 , передается воздуху в горле рупора и обусловливает силу F 0 , действующую в горле рупора с площадью S 0 :

р= F 1 /S 1 , F 0 =pS 0 (8.5).

Отсюда получаются следующие соотношения:F 1 /S 1 =F 0 /S 0 , F 1 /F 0 =S 1 /S 0 . Отношение площади излучателя к площади горла рупора S 1 /S 0 называется коэффициентом акустической трансформации и обозначается п. Cледовательно,отношение сил можно представить как: F 1 =nF 0 . Из условия равенства объемных скоростей диафрагмы и воздуха в устье рупора (т. е. из условия сохранения объема воздуха вытесняемого диафрагмой при смещениях из предрупорной камеры) получаются соотношения: S 1 v 1 =S 0 v 0 или:v 0 /v 1 =S 1 /S 0 =n. (8.6).

Полученные соотношения позволяют сделать следующий вывод: диафрагма под действием большей силы (F 1 > F 0) колеблется с меньшей скоростью (V 1 <. V 0), значит, она испытывает большее сопротивление среды при колебаниях. Значение Z L в таком случае (учитывая, что импеданс по определению есть отношение силы к скорости колебаний Z L =F 1 /v 1) будут равны с учетом соотношений (8.5)и (8.6): Z L =F 1 /v 1 =S 1 p/v 1 =S 1 p/{v 0 S 0 /S 1 }=(S 1 2 /S 0 2)S 0 p/v 0 . (8.7)

Если бы поршень стоял на входе узкой трубы, то его сопротивление было бы равно Rизл=сS 0 ,при этом по определению Rизл=F 0 /v 0 =S 0 p/v 0 ,т.е. S 0 p/v 0 =сS 0 , подставив это выражение в формулу (8.7) получим:

Z L =(S 1 2 /S 0 2 )S 0  с =(S 1 /S 0 ) S 1  с. (8.8)

Такое умножение импеданса сS 0 на коэффициент(S 1 2 /S 0 2 ) эквивалентно применению некоторого понижающего трансформатора,что видно на соответствующей эквивалентной электрической схеме (рис.8.37)

Следовательно,если при наличии дополнительного сопротивления излучаемая акустическая мощность увеличится и будет равна:

Ра=1/2  cZ L =1/2  с S 1 v 1 2 (S 1 /S 0 ). (8.9)

Таким образом, использование акустической трансформации за счет предрупорной камеры позволяет увеличить акустическую мощность в (S 1 /S 0) раз, что существенно увеличивает эффективность работы рупорного громкоговорителя. Величина коэффициента акустической трансформации ограничена, так как она зависит от площади излучателя (S 1) и площади горла рупора (Sо). Увеличение площади излучателя связано c возрастанием его массы. Излучатель большой массы имеет на верхних частотах имеет большое инерциальное сопротивление, которое становится соизмеримым с сопротивлением излучения. В результате на верхних частотах уменьшается колебательная скорость, следовательно, и акустическая мощность. Коэффициент акустической трансформации увеличивается при уменьшении площади горла рупора, но это также допустимо в определенных пределах, т.к. приводит к увеличению нелинейных искажений. Обычно коэффициент акустической трансформации выбирают порядка 15-20.

Эффективность рупорного громкоговоритель может быть приближенно оценена по формуле: КПД=2R E R ET /(R E +R ET ) 2 x100%, (8.10)

где R E -активное сопротивление звуковой катушки, R ET =S 0 (BL) 2 /cS 1 2 ,где B-индукция в зазоре, L-длина проводника. Максимальное КПД равное 50%достигается, когда R E = R ET , что на практике получить не удается.

Нелинейные искажения в рупорных ГГ определяются как обычными причинами,возникающими в головках громкоговорителей: нелинейным взаимодействием звуковой катушки с магнитным полем,нелинейной гибкостью подвеса и др.,так и особыми причинами,а именно высоким давлением в горле рупора,при этом начинают сказываться термодинамические эффекты, а также нелинейная компрессия воздуха в предрупорной камере.

Излучатель, который используется для рупорных громкоговорителей представляет собой обычный электродинамический громкоговоритель.Для широкогорлых рупоров (без предрупорной камеры) это мощный низкочастотный громкоговоритель.Широкогорлые рупора используются сейчас в качестве низкочастотного оформления в ряде конструкций акустических агрегатов,например ф Genelek (эта технология называется waveguide TL),портальных систем для озвучивания и т.д.

В узкогорлых рупорных громкоговорителях применяются специальные типы электродинамических громкоговорителей (обычно они называются драйверы ).Пример конструкции показан на рис.8.32. Как правило, они имеют купольную диафрагму из жестких материалов (титановая, бериллиевая,алюминиевая фольга, пропитанная стеклоткань и др.), изготовленную вместе с подвесом (синусоидальной или тангенциальной гофрировки).К наружному краю диафрагмы крепится звуковая катушка (каркас из алюминиевой фольги или жестких видов бумаги с двух или четырехслойной намоткой).Подвес закрепляется специальным кольцом на верхнем фланце магнитной цепи. Над диафрагмой устанавливается противоинтерференционный вкладыш (тело Венте)-акустическая линза для выравнивания фазовых сдвигов акустических волн излучаемых различными участками диафрагмы. В некоторых высокочастотных моделях используются специальные кольцевые диафрагмы.

Для анализа работы рупорных громкоговорителей в области низких частот используется метод электромеханических аналогий. Методы расчета в основном используют теорию Thiele-Small ,на которой построены методики расчета обычных диффузорных громкоговорителей. В частности, измерение параметров Thiele-Small для драйвера позволяют оценить форму АЧХ для низкочастотных рупорных громкоговорителей. На рис.8.37 показана форма АЧХ,где частоты перегиба кривой определяются следующим образом:f LC =(Q ts)f s /2; f HM = 2f s / Q ts ; f HVC =R e / L e ; f HC =(2Q ts)f s V as /V fs ;где Q ts –общая добротность;f s \резонансная частота излучателя; R e ,L e –сопротивление и индуктивность звуковой катушки,V fs –эквивалентный объем,V as -объем предрупорной камеры.

Полный расчет структуры звукового поля,излучаемой рупорными громкоговорителями, в том числе с учетом нелинейных процессов, производится численными методами (МКЭ или МГЭ),например, с помощью пакетов программ:http://www.sonicdesign.se/ ;http://www.users.bigpond.com/dmcbean/ ; http:/melhuish.org/audio/horn.htm.

Поскольку одной из главных задач рупорных громкоговорителей является формирование заданной характеристики направленности, что имеет принципиально важное значение для систем озвучивания различного назначения, то в настоящее время используется большое разнообразие форм рупоров , основные из которых следующие:

= экспоненциальный рупор, с ним сделано большинство рупорных громкоговорителей для озвучивания открытых пространств,например отечественные модели 50ГРД9,100ГРД-1 и др;

= секционные рупора, которые были разработаны для борьбы с обострением характеристики направленности на высоких частотах (рис.8.38).Секционный рупор состоит из некоторого количества рупоров небольших размеров,соединенных вместе горлами и устьями. При этом их оси оказываются развернутыми в пространстве веером, хотя направленность каждой ячейки обостряется с частотой, общая направленность группового излучателя остается широкой.

=радиальный рупор имеет различную кривизну по разным осям (рис.8.39а,б).Ширина диаграммы направленности показана на рис.8.43б., из которого видно, что в горизонтальной плоскости она почти постоянна, в вертикальной площади уменьшается Такие виды рупоров применяются в современных студийных мониторах, кроме того, они используются в кинотеатральных системах.

Для расширения характеристики направленности в рупорных громкоговорителях применяются также акустические рассеивающие линзы(рис.8.40).

=дифракционный рупор (рис.8.41а,б) имеет узкое открытие в одной плоскости и широкое в другой. В узкой плоскости он имеет широкую и почти постоянную диаграмму направленности, в вертикальной более узкую. Варианты таких рупоров широко используются в современной звукоусилительной технике.

Рупора равномерного покрытия (после ряда лет исследований были созданы на фирме JBL), позволяют контролировать характеристику направленности в обеих плоскостях (рис.8.42а,в).

Особая форма свернутых рупоров применяется для создания низкочастотных излучателей рис.8.43. Первые кинотеатральные системы со свернутым рупором для кино были созданы еще в 30 годы. Свернутые рупоры как в узкогорлых так и в широкогорлых громкоговорителях широко используются в настоящее время для высококачественных контрольных агрегатов, для мощных акустических систем в концертно-театральной аппаратуре и др.

В производстве имеются в настоящее время и другие разновидности рупоров как для аппаратуры звукоусиления, так и для бытовой аудиоаппаратуры. В практике озвучивания больших концертных залов, дискотек, стадионов и др. используются также подвесные комплекты рупорных громкоговорителей называемые кластерами.

Рупорный громкоговоритель – это громкоговоритель, в котором для концентрации звуковой энергии в определенном направлении служит рупор (труба с непрерывно возрастающим сечением)

Этот тип громкоговорителя получил значительное распространение в мощных системах звукоусиления и оповещения на больших открытых пространствах (площадях, улицах).

Благодаря применению рупора улучшается согласование между относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы головки и довольно низким сопротивлением нагрузки воздушной среды, характеризуемым сопротивлением излучения. Рупор увеличивает сопротивление излучения и значительно повышает КПД громкоговорителя. Существует несколько форм рупора, однако наибольшее распространение получил экспоненциальный рупор, в котором площадь поперечного сечения возрастает по экспоненциальному закону

где So - площадь поперечного сечения начала рупора (горла); - коэффициент расширения; x - координата, отсчитываемая вдоль оси рупора от его начала (горла) к устью (рис.6.13)

Рупор, подобно электрическому фильтру верхних частот, характеризуется низшей пропускаемой частотой, называемой критической, которая зависит от коэффициента расширения рупора. Для эффективного воспроизведения низших звуковых частот рупор должен быть значительных размеров, что и является его главным недостатком. Поэтому в настоящее время рупорные громкоговорители находят широкое применение главным образом в качестве высокочастотных звеньев и двух- и трехполосных акустических систем, так как для воспроизведения высших частот размеры рупора и всего громкоговорителя должны быть небольшими.

В отличие от остальных громкоговорителей, рупорный громкоговоритель характеризуется высокой направленностью излучения звуковых волн и значительной дальностью действия (50 – 100 м), поэтому такие громкоговорители используют преимущественно для озвучивания больших открытых площадей и вытянутых помещений (стадионов, коридоров, галерей). Кроме того, рупорные громкоговорители могут работать при температуре – 20° – +60° С и не боятся повышенной влажности воздуха.

При озвучивании больших помещений рупорные громкоговорители устанавливаются рядом друг с другом и направляются в разные стороны. Благодаря такому расположению громкоговорителей можно распространять звуковые волны на площади, в несколько раз превышающие площадь, которую могут покрыть электродинамические громкоговорители при том же качестве звучания. При проектировании системы оповещения стоит учитывать, что рупорный громкоговоритель имеет диаграмму направленности с углом раскрытия порядка 30°.

Рабочий диапазон частот, в котором работает рупорный громкоговоритель, определяется его назначением и зависит от конструктивных особенностей. Рупорный громкоговоритель может работать как на небольшом участке спектра звуковых частот, так и занимать довольно широкую полосу (от 100 Гц до 6 кГц). Выходная мощность, которую обеспечивает рупорный громкоговоритель, обычно составляет от 5 до 100 Вт.

Поскольку на высших частотах увеличивается направленность излучения, то для расширения характеристики направленности в высокочастотных рупорных громкоговорителях с успехом применяются два средства. Первое средство состоит в секционировании рупора, в результате чего он превращается в пучок примыкающих друг к другу рупоров меньшего сечения, оси которых криволинейны и располагаются веером (рис. 27, а).

Рис. 4 Секционный рупор (а) и акустическая линза (б)

Принцип действия такого устройства заключается в том, что хотя направленность излучения каждой секции рупора вдоль оси возрастает на высших частотах, благодаря тому, что оси отдельных рупорных секций развернуты веером, их излучение направлено в пределах более широкого угла, образуемого веером осей. Поэтому угол раствора характеристики направленности громкоговорителя практически не зависит от частоты, так как он определяется пространственным расположением отдельных секций рупора. Это эквивалентно излучению группы отдельных громкоговорителей, расположенных рядом на сферической поверхности так, что их оси, сходящиеся в центре сферы, образуют одинаковые острые углы одна с другой.

Другим эффективным средством ослабления направленности рупора громкоговорителя является акустическая линза (рис. 27,6), более простая в изготовлении, чем секционированный многоячеечный рупор. Принцип действия акустической линзы подобен действию оптических рассеивающих линз, преобразующих распространяющуюся вдоль оси плоскую волну в сферическую или цилиндрическую.

Различие между оптическими и акустическими линзами состоит в том, что оптическая линза преобразует плоскую волну, изменяя ее скорость при прохождении сквозь линзу и тем более, чем длиннее ее путь в линзе. Изменение скорости волны в линзе обусловлено ее материалом (стеклом), в котором скорость распространения света меньше, чем в воздухе. В акустической линзе скорость звука везде одинакова и преобразование волны происходит вследствие различия длины путей волн, проходящих через линзу в центре и на периферии. Изменение длины путей волн в акустической линзе осуществляется наклонными каналами или щелями, удлиняющими путь звуковой волны, создаваемой громкоговорителем.

В зависимости от осевой симметрии линзы и ее положения в пространстве можно расширить характеристику направленности рупорного громкоговорителя как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях или только в одной из них.

Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причиной этого является несогласованность сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для увеличения сопротивления излучения следовало бы увеличивать размеры излучателя, но это влечет за собой увеличение механического сопротивления массы излучателя и не дает выигрыша в КПД. Так как диффузор выполняет две функции: функцию преобразования механических колебаний в акустические и функцию излучения этих колебаний в окружающую среду, то разрешить такое противоречие можно только путем разделения этих функций. Это разделение функций осуществляется в рупорных громкоговорителях.

Из рассмотрения частотной зависимости входного сопротивления экспоненциального рупора бесконечной длины (см. рис. 6.13, кривые 1, 2 ) следует, что активная составляющая сопротивления рупора для частот,

Рис. 6.13. Экспонциальный рупор: эскиз рупора и зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления рупора от частоты (1 - активная составляющая для экспоненциального рупора бесконечной длины; 2 - реактивная составляющая для него же; 3 - активная составляющая для него же в случае конечной длины; 4 - активная составляющая входного сопротивления для конического рупора)

ниже критической, равна нулю, присутствует только реактивная составляющая. Это свидетельствует о том, что рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее после окончания вынужденных колебаний в виде своих свободных колебаний в механическую систему. Реактивная составляющая имеет инерционный характер, т. е. представляет собой соколеблющуюся массу, вносимую в механическую систему. Эта составляющая на средних и высоких частотах ничтожно мала, а на низких- выше критической частоты в большинстве случаев ею можно пренебречь без внесения заметной ошибки, поэтому в дальнейшем не будем ее учитывать.

Выше критической частоты активная составляющая быстро нарастает до сопротивления, равного сопротивлению плоской волны, и далее остается постоянной. Закон ее изменения напоминает частотную характеристику фильтра ВЧ. Для сравнения на рис. 6.13 (кривая 4 ) приведена частотная зависимость входного сопротивления конического рупора, имеющая значительно менее крутой подъем к высоким частотам. В этом и заключается недостаток конического рупора по сравнению с экспоненциальным.

Критическая частота экспоненциального рупора тем выше, чем круче он расходится, поэтому для смещения нижней границы частотного диапазона вниз приходится применять рупоры с пологим расхождением.

В рупорах конечной длины из-за несогласованности сопротивлений рупора с окружающей средой возникают отражения звуковых волн от его устья. В рупоре возникают стоячие волны. А из-за этого частотная характеристика входного сопротивления рупора становится волнообразной (см. рис. 6.13, кривая 3 ), правда, только на низких частотах, на которых фронт излучаемой волны близок к сферическому. Для средних и высоких частот длины излучаемых волн оказываются больше размеров излучающего отверстия рупора, и потому фронт волны в конце рупора становится плоским и остается таким после выхода из него. Вследствие этого не происходит отражения волн от конца рупора. Так как размеры выходного отверстия для широкополосных громкоговорителей берут в пределах 0,6-1 м, то такое явление наблюдается, уже начиная с частоты 300- 500 Гц (d =λ ).

Выходное отверстие рупора определяет и направленность его излучения. На рис. 6.3 были приведены характеристики направленности для поршневой диафрагмы в бесконечном экране при разных соотношениях d/λ . Оказывается, что эти соотношения почти полностью пригодны и для рупорного излучателя, если длины излучаемых волн меньше размеров выходного отверстия. В этом случае в отверстии рупора образуется волна по фронту, близкая к плоской. Следовательно, при размерах устья рупора в 0,6-1 м для частот выше 300- 500 Гц можно пользоваться этими соотношениями. На низких частотах излучение из отверстия рупора будет менее направленным, чем у поршневой диафрагмы, так как из-за отсутствия экрана будет иметь место расхождение волн в угле 4π вместо 2π.

Длина рупора определяется из (6.20) отношением площадей входного и выходного отверстий рупора:

Если надо иметь острую направленность и низкую нижнюю границу передаваемого частотного диапазона, следует увеличивать выходное отверстие рупора и уменьшать критическую частоту, вследствие чего приходится брать рупор большой длины. Для этого рупор часто свертывают или складывают (рис. 6.14).

Коэффициент концентрации рупоров зависит от частоты. На средних частотах он доходит до 30-50. Такая высокая концентрация создает большое осевое звуковое давление, передающий рупор как бы усиливает звук. На самом деле он только концентрирует звуковую энергию в определенном направлении. Кроме того, вследствие согласованности сопротивлений рупора и окружающей среды, с одной стороны, и рупора и механической колебательной системы, с другой, излучаемая мощность при использовании рупора больше, чем без него.

Сравните эти данные с данными для духовых музыкальных инструментов: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.

d - диаметр выходного отверстия рупора. В этом случае коэффициент концентрации Ω = 25 в широком диапазоне частот.

Рис. 6.14. Виды рупоров:

а) сдвоенный рупор; б) секционированный рупор; в) сложенный рупор

Большое распространение получили рупоры с прямоугольным выходным отверстием. Такие рупоры имеют разную направленность во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рупора, продольную и поперечную оси выходного отверстия. Направленность в каждой из этих плоскостей (продольной и поперечной) определяется отношениями размеров выходного отверстия с одной стороны и длиной волны с другой (6.19). Часто применяют сдвоенные круглые рупоры, т. е. два отдельных рупора со смежными выходными отверстиями (см. рис. 6.14а ). Такие рупоры могут приближенно рассматриваться как рупоры с прямоугольным выходным отверстием, имеющим поперечные размеры d и 2d , где d - диаметр выходного отверстия рупора.

В тех случаях, когда надо иметь одинаковое излучение в пределах телесного угла около π/2 , не зависящее от частоты, применяют секционированные рупоры (см. рис. 6.14б ).

Кроме частотных искажений, рупор вносит нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора.

После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и ¦присутствия¦. В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно = теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.

Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв.м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечас-тотные рупоры имеют квадратное сечение и ¦свернуты¦ сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.

Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50 % = очень внушительное значение по сравнению с 2 - 3 % фазоинверторного и меньше чем 1 % для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокоя стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свернутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты.

Но, хотя иногда встречаются курьезные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свернута в корпус объемом всего 150-200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объем работы по изготовлению свернутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к ¦поточным¦ методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свернутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самоделыцика, не говоря уже о профессионалах, и именно для них предназначена данная статья.

1.4. Громкоговорители

Классификация громкоговорителей: по способу излучения звука, по ширине рабочей полосы частот, по принципу действия Основные эксплуатационные характеристики громкоговорителей: полное электрическое сопротивление, электрическая мощность (номинальная и паспортная), частотная характеристика направленности.

Семейство рупорных спикеров, выпускаемых компанией Inter-M, пополнилось изделием модульного типа. Новый громкоговоритель состоит из двух независимых частей: акустического рупора SH-317 и съемного опционного драйвера DU-30T (или DU-40T).

Акустический рупор и драйверная головка стыкуются посредством унифицированного резьбового соединения. Это дает возможность простой замены модулей при подборе мощности громкоговорителя, его профилактики или ремонта.

Применение модульного принципа способствует достижению более высоких технических характеристик рупорных громкоговорителей, а возможность самостоятельного соединения отдельных модулей между собой позволяет пользователю собрать громкоговоритель с необходимыми техническими характеристиками.

Громкоговоритель отличается более равномерной частотной характеристикой, высоким звуковым давлением, четкостью воспроизведения речи, стойкостью к воздействию экстремальных внешних условий. Его целесообразно применять для озвучивания стадионов, территорий коммерческих центров, парков, автомобильных стоянок, строительных площадок, заводских цехов, складских помещений.

Назначение

Модульный всепогодный громкоговоритель в составе рупорного устройства SH-317 и драйверной головки DU-30T (DU-40T) предназначен для передачи речевых сообщений в трансляционных звуковых системах с напряжениями до 100 В внутри помещений и на открытых пространствах.

Ожидаемый срок поставки: под заказ

Конструкция

Громкоговоритель состоит из акустического рупора и драйверной головки. Рупор и головка выпускаются как независимые, взаимодополняющие компоненты, соединяемые друг с другом при помощи цилиндрической резьбы с внешним диаметром 1-3/8” и шагом 18 ниток на дюйм. Данное соединение является универсальным и позволяет осуществлять стыковку модулей разных типов.

• 1 - магнитная система
• 2 - акустическая мембрана
• 3 - рупорное устройство
• 4 - резьбовое соединение модулей

Рис. 1. Схема модульного громкоговорителя в разрезе

Поставляемые драйверные головки рассчитаны на подводимую мощность 30 Вт (DU-30T) и 40 Вт (DU-40T). Они имеют одинаковые геометрические размеры. Механическая прочность отдельной головки достигается за счет применения фланца из силумина и защитной крышки из пластика толщиной стенок 3 мм. Выходное акустическое отверстие модуля снабжено защитной металлической сеткой.

Рис. 2. Драйверная головка DU-40T (DU-30T)

Рис. 3. Вид драйверной головки без задней крышки

Внутри головки располагается трансформатор и электроакустический излучатель. Последний имеет в своем составе специальную куполообразную мембрану из стеклоткани с гофрированным подвесом и звуковой катушкой, размещенной в магнитной системе, содержащей высококачественный феррит.

Рис. 4. Магнитная система DU-40T

Рис. 5. Звуковая мембрана драйверной головки

Входное сопротивление электроакустического излучателя соответствует 8 Ом. Для согласования с трансляционной линией напряжением 100 В применяется широкополосный трансформатор, размещенный внутри защитной крышки модуля.

Рис. 6. Согласующий трансформатор в корпусе DU-40T

Благодаря трансформатору реализуется как высокоомное подключение DU-30T/40T в линию на полную или половинную мощность, так и низкоомное - с сопротивлением 8 Ом на полную мощность.

Входные провода громкоговорителя имеют цветовую маркировку.

Рупорный модуль SH-317 служит в качестве «акустического трансформатора» для согласования акустических сопротивлений плотной излучающей мембраны и менее плотной воздушной среды, а также для формирования диаграммы направленности громкоговорителя.

Рис. 7. Рупорный модуль SH-317

Модуль состоит из пластикового рупора и силуминового фланца с резьбой для крепления SH-317 к драйверной головке. На фланце установлен стальной поворотный кронштейн, служащий для монтажа громкоговорителя и ориентации его в пространстве.

Рис. 8. Вид SH-317 со стороны резьбового соединения

С целью эффективного распределения акустической энергии в пространстве прямоугольная апертура рупора обеспечивает более широкий угол излучения в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной.

Модульный громкоговоритель позволяет эффективно воспроизводить сигналы с нижней границей частотного диапазона от 300 Гц, что обеспечивает точность передачи речевого сигнала, натуральность и узнаваемость звучания речи.

Громкоговоритель развивает высокий уровень звукового давления, в том числе, за счет концентрации звуковой энергии в относительно узком угле излучения. Его чувствительность соответствует 110 дБ, что превышает аналогичный показатель спикеров серии HS. При номинальной мощности 30 Вт рупор SH-317 с модулем DU-30T создает на расстоянии 1 м 124,7 дБ, а с модулем DU-40T – 126 дБ. Данные уровни существенно превышают все возможные бытовые и производственные шумы. Размещать модульные громкоговорители следует с учетом исключения возможности возникновения опасного дискомфорта для людей, находящихся поблизости, так как болевой порог человеческого слухового восприятия равен 120 дБ.

Задняя крышка и рупор громкоговорителя выполнены из ABS пластика, которому свойственны повышенная ударопрочность, долговечность, стойкость к воздействию высоких и низких температур, влаги, щелочей и кислот, прямого солнечного излучения. Наружные металлические части изделия покрыты порошковой краской с последующей темообработкой. В местах соединения элементов модулей проложены герметизирующие материалы.

Рупорная антенна представляет собой конструкцию, состоящую из радиоволновода и металлического рупора. Они имеют широкую сферу применения, используются в устройствах измерительной техники и как самостоятельный прибор.

Что это

Рупорная антенна - это устройство, которое состоит из волновода с открытым концом и излучателем. По форме такие антенны бывают Н-секторальными, Е-секторальными, коническими и пирамидальными. Антенны - широкополостные, для них характерен небольшой уровень лепестков. Рупорная конструкция с усилиением простая. Усилитель позволяет ей быть небольшого размера. Например, или линз выравнивает фазу волны и положительно влияет на габариты устройства.

Антенна выглядит как раструб с прикрепленным к нему волноводом. Основным недостатком рупора считают его внушительные параметры. Для того чтобы привести такую антенну в рабочее состояние, она должна располагаться под определенным углом. Именно поэтому в длину рупор больше, чем в сечении. Если попытаться построить такую антенну с диаметром один метр, она бы в длину получилась в несколько раз больше. Чаще всего такие приборы используют в качестве зеркального облучателя или для обслуживания радиорелейных линий.

Особенности

Диаграмма направленности рупорной антенны - это угловое распределение плотности потока мощности или энергии в единицу угла. Определение означает, что прибор широкополосный, имеет питающую линию и небольшой уровень задних лепестков диаграммы. Для того чтобы получить остронаправленное излучение, необходимо сделать рупор длинным. Это не очень практично и считается недостатком данного устройства.

К одним из самых модернизированных типов антенн относят рупорно-параболические. Их основная особенность и преимущество - низкие боковые лепестки, которые сочетаются с узкой диаграммой направленности. С другой стороны, рупорно-параболические устройства габаритные и тяжелые. Одним из примеров такого типа служит антенна, установленная на космической станции "Мир".

По своим свойствам и техническими характеристикам рупорные приборы ничем не отличаются от установленных приемников в мобильных телефонах. Разница лишь в том, что у последних антенны компактные и скрыты внутри. Однако миниатюрные рупорные антенны могут повреждаться внутри мобильного устройства, поэтому корпус телефонов рекомендуется защищать при помощи чехла.

Типы

Существует несколько типов рупорных антенн:

• пирамидальная (сделана в форме пирамиды четырехгранника с прямоугольным сечением, используется чаще всего);
• секторальная (имеет рупор с расширением H или E);
• коническая (выполнена в виде конуса с круглым сечением, излучает волны круговой поляризации);
• гофрированная (рупор с широкой полосой пропускания, небольшим уровнем боковых лепестков, используется для радиотелескопов, параболических и спутниковых антенн);
• рупорно-параболическая (совмещает в себе рупор и параболу, имеет узкую диаграмму направленности, низкий уровень боковых лепестков, функционирует на радиорелейных и космических станциях).

Исследование рупорных антенн позволяет изучить их принцип действия, рассчитать диаграммы направленности и коэффициент усиления антенны на определенной частоте.

Как работает

Рупорные измерительные антенны вращаются вокруг собственной оси, расположенной перпендикулярно плоскости. К выходу прибора подсоединяется специальный детектор с усилением. Если сигналы слабые, в детекторе формируется квадратичная вольтамперная характеристика. Создает электромагнитные волны стационарная антенна, основная задача которой - передача волн рупорной. Для того чтобы снять характеристику направленности, ее разворачивают. Затем снимаются показания с прибора. Антенну поворачают вокруг своей оси и фиксируют все измененные данные. Применяют ее для приема радиоволн и излучения сверхвысоких частот. Устройство обладает огромными плюсами перед проволочными агрегатами, так как способно принять большой объем сигнала.

Где используется

Рупорная антенна используется как отдельный прибор и в качестве антенны для измерительных устройств, спутников и другой техники. Степень излучения зависит от раскрыва рупора антенны. Он определяется размерами его поверхностей. Используется этот прибор как облучатель. Если конструкцию устройства совмещают с отражателем, его называют рупорно-парабалическим. Агрегаты с усилением часто используют для проведения измерений. Применяют антенну как зеркальный или лучевой облучатель.

Внутренняя поверхность рупора может быть гладкой, гофрированной, а образующая - иметь плавную или кривую линию. Разные модификации этих излучающих приборов используют для улучшения их характеристик и функциональности, например для того, чтобы получить осесимметричную диаграмму. Если необходимо скорректировать направленные свойства антенны, в раскрыве устанавливают ускоряющие или замедляющие линзы.

Настройки

Рупорно-параболическая антенна настраивается в волноводной части с помощью диаграмм или штырей. Если понадобится, то такое устройство можно сделать самостоятельно. Антенна принадлежит к апертурному классу. Это означает, что прибор, в отличие от проволочной модели, принимает сигнал апертурой. Чем больше рупор у антенны, тем больше волн она примет. Усиления легко достичь, если увеличить размеры агрегата. К его преимуществам относят широкополосность, простоту конструкции, отличную повторяемость. К недостаткам - при создании одной антенны требуется большое количество расходных материалов.

Для изготовления своими руками пирамидальной антенны рекомендуется использовать недорогие материалы, например оцинковку, прочный картон, фанеру в сочетании с фольгой металлической. Рассчитать параметры будущего устройства допустимо при помощи специального онлайн-калькулятора. Энергия, принятая рупором, попадает в волновод. Если изменять положение штыря, антенна будет функционировать в широком диапазоне. При создании устройства учитывайте, что внутренние стенки рупора и волновода должны быть гладкими, а раструб - жестким по внешней стороне.