Посвящение в радиоэлектронику

«Возможный» вариант акустической системы.

Но, оставив полушутливые решения, как же все-таки добиться воспроизведения низших частот из корпуса громкоговорителя, ограниченного по размерам? Сначала шли на компромисс и корпус делали побольше, а те низкие частоты, которые все-таки воспроизводились плохо, как говорят, «заваливались» громкоговорителем, искусственно «поднимали» в усилителе звуковой частоты. Так удавалось понизить диапазон воспроизводимых частот до 100 и даже 60 Гц. Более радикальное решение проблемы пришло в 60-х годах. А что если вообще устранить излучение задней стороны диффузора? Тогда не будет и акустического «короткого замыкания» на низших частотах. Сделали закрытый ящик и набили его звукопоглощающим материалом (хотя бы ватой). Результаты получились хорошие. Несмотря на то что КПД громкоговорителя упал вдвое, диапазон воспроизводимых частот расширился. Теперь практически все акустические системы делают закрытыми. Иногда, правда, вводят еще трубку так называемого фазоинвертора. Длину ее подбирают так, чтобы объем воздуха в ящике и трубке резонировал на самой низшей частоте звукового диапазона. Тогда колебания воздуха на передней стороне и диффузора головки, и трубки получаются синфазными и складываются в излучаемой звуковой волне.

Закрытая акустическая система и ее амплитудно-частотная характеристика (________ — без звукопоглощающего материала; ---- — со звукопоглотителем в корпусе).

Фазоинвертор и его амплитудно-частотная характеристика.

Специально для закрытых акустических систем были разработаны головки с очень мягким подвесом диффузора. Без закрытого корпуса такую головку вообще нельзя включать — ход диффузора при номинальной мощности получится чрезмерно большим, что приведет к ее поломке. Но когда головка установлена в закрытом корпусе, упругость замкнутого объема воздуха удерживает диффузор и не даст ему перемещаться с большой амплитудой. Но здесь возникает новое явление (уже знакомое нам) — явление резонанса.

Диффузор, опираясь на замкнутый объем воздуха, ведет себя подобно грузику на пружинке: он может совершать затухающие колебания. Так же как и маятник, он обладает некоторой резонансной частотой и добротностью. Чем выше добротность колебательной системы, тем сильнее она подчеркивает частоты, совпадающие с резонансными или близкие к ним. У ящика небольших размеров резонансная частота попадает в область 100…200 Гц. На этих частотах появляется пик частотной характеристики громкоговорителя и звучание приобретает неприятный, «бубнящий» оттенок. Поэтому конструкторы акустических систем стремятся понизить резонансную частоту, сместив ее в ту область, где отдача громкоговорителя падает, в область десятков герц. Это можно сделать несколькими способами: увеличить объем корпуса, максимально уменьшить упругость подвеса диффузора, установить настроенную на частоту резонанса трубу фазоинвертора. Сделать резонансный пик менее острым и высоким можно, уменьшив добротность системы. Здесь помогает заполнение объема ящика звукопоглощающим материалом. Комплекс перечисленных мер позволяет создавать акустические системы с приемлемыми размерами и неплохими параметрами.

К другим факторам, определяющим качество звучания акустической системы, относятся нелинейные искажения и так называемые интермодуляционные искажения. И те и другие зависят главным образом от конструкции головок. Если в звуковую катушку полается синусоидальный ток, то это еще не значит, что излучаемое звуковое колебание будет синусоидальным. Чем жестче подвес диффузора, чем неоднороднее магнитное поле в зазоре магнитной системы, тем больше нелинейные искажения, вносимые головкой. Интермодуляционные искажения возникают тогда, когда в звуковой катушке текут одновременно токи нескольких звуковых частот. Представьте, например, такую ситуацию. Громкоговоритель воспроизводит одновременно низкий звук барабана и высокий звук скрипки. В момент, когда низкочастотное колебание проходит через нуль, звуковая катушка находится в нормальном положении и без искажений воспроизводит высокий тон. Но когда низкочастотное колебание проходит через максимум, звуковая катушка выдвигается из магнитного зазора, подвес диффузора напряжен и высокий тон воспроизводится уже совсем по-другому, с большими искажениями и меньшей громкостью. Таким образом, низкочастотные колебания диффузора как бы модулируют высокочастотные. Это и есть интермодуляционные искажения.

Создать головку, хорошо работающую во всем широком диапазоне звуковых частот, — очень сложная задача. Да и требования к подвижной системе головки при воспроизведении различных частот будут совершенно разными. На низких частотах диффузор должен двигаться как поршень и иметь большую площадь и мягкую подвеску. На высоких частотах, как показали исследования, вся площадь диффузора не участвует в колебательном движении, а работает только его центральная часть. Ведь длина высокочастотной волны очень мала на частоте 12 кГц она не достигает и 3 см и поэтому просто не успевает пройти по всему радиусу диффузора.

Для улучшения воспроизведения верхних частот центральную часть диффузора делают жесткой, пропитывая ее лаком, или вклеивая дополнительный жесткий маленький диффузор, или, что еще лучше, прикрепляя легкую и достаточно жесткую металлическую полусферу (купол). Головки с купольным диффузором хороши еще и тем, что имеют широкую диаграмму направленности на высоких частотах, что благоприятно сказывается на качестве звучания. Но самое лучшее решение, которому и следуют в конструкциях высококачественных акустических систем, — это использовать для воспроизведения различных частотных участков звукового диапазона разные головки.

Простейшая двухполосная акустическая система содержит две головки: одну для воспроизведения низких и средних частот, а другую — высоких. Низкочастотная головка имеет большой диффузор и мягкую подвеску, а высокочастотная — маленький жесткий купол вместо диффузора. Еще совершеннее трехполосные акустические системы, где отдельные громкоговорители воспроизводят низкие, средние и высокие звуковые частоты. Благодаря значительному снижению интермодуляционных искажений (ведь сигналы с разными частотами подаются на разные головки) звук их отличается особой чистотой и «прозрачностью».

Но многополосная система не оправдывает надежд, если электрический звуковой сигнал перед подачей его на головки не разделять фильтрами. Весь диапазон звуковых частот делят фильтрами на три частотных поддиапазона, например: 40…400 Гц (выделяется фильтром нижних частот), 400…5000 Гц (фильтром средних частот) и 5000… 20000 Гц (фильтром верхних частот). Фильтры содержат катушки индуктивности и конденсаторы, причем для уменьшения искажений в катушках даже избегают применять ферромагнитные магнитопроводы. Важен вопрос и согласования фильтров по их фазовым характеристикам. Ведь надо, чтобы сигналы подавались на головки в одной и той же фазе, иначе головки будут звучать «в разнобой», что опять-таки приведет к искажению звука.

Кажется, я достаточно напугал вас, читатель, сложностью проблем, стоящих перед создателями электроакустической аппаратуры. А может быть, вы сами займетесь ее конструированием? Я до сих пор не могу забыть впечатления, которое произвел на меня обычный четырехваттный динамик, когда я закрыл им отверстие старого полиэтиленового ведра, а внутрь ведра затолкал еще обрезки поролона и старую зимнюю шапку (для звукопоглощения). Смею вас заверить, этот динамик никогда раньше, ни в каком акустическом оформлении так хорошо не звучал. К сожалению, он не звучал так и потом, когда, окрыленный успехом, я изготовил вполне приличный ящик, который можно было поставить в комнате. Вмонтировал туда динамик, и. очень пожалел, что шапка и ведро были уже выброшены. Оставалось констатировать, что в электроакустике еще много неясных, а порой и вообще необъяснимых феноменов. А теперь…

Попробуем заглянуть в будущее

Давайте попробуем, но как это сделать, если не предаваться безудержным фантазиям? Воспользуемся методом более или менее научного прогноза, прослеживая современные тенденции и экстраполируя их на будущее. Бытовая электроника непрерывно совершенствуется. Огромный прогресс заметен в области усилительной техники и акустических систем. Их качественные показатели неизмеримо выросли за последние двадцать-тридцать лет. Имеются сведения, например, о разработке усилителей с пиковой мощностью до 200…400 Вт и коэффициентом нелинейных искажений в тысячные доли процента. Многие удивляются: зачем нужна столь большая мощность, не озвучивать же такой мощностью жилую квартиру? В ней нельзя будет жить хозяевам, да и соседям придется трудно. Разумеется, в течение 99,9 % времени такая мощность не нужна. Но речевые, а в особенности музыкальные программы очень далеки от синусоидального колебания постоянной амплитуды. Они часто носят импульсный, пиковый характер. Динамический диапазон звучания обычного оркестра достигает 70…90 дБ. Это значит, что мощность самого громкого звука (пиковая мощность) превосходит мощность самого тихого звука (лежащего на уровне шумов) на семь — девять порядков, т. е. в десять миллионов — миллиард раз!

Предположим, что для воспроизведения самого тихого звука достаточна мощность 1 мВт, тогда для неискаженного воспроизведения самого громкого звука понадобится мощность не менее 10 кВт! Разумеется, так никто не делает, и полный динамический диапазон оркестра современные электроакустические системы нс воспроизводят. Таким образом, большая выходная мощность усилителей нужна для уменьшения искажений на пиках громкости. Но установка мощного усилителя оправдана лишь в том случае, если акустическая система способна без искажений отработать большую пиковую мощность.