Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Активная мощность — это то, что громкоговоритель забирает навсегда: она затрачивается на излучение звуковых волн, на нагрев провода катушки, то есть эта мощность расходуется необратимо. Примером реактивной мощности может служить то, что «забирает» собственное магнитное поле катушки. Слово «забирает» мы взяли в кавычки потому, что магнитное поле навсегда электрической мощности не потребляет. Когда переменный ток нарастает, то он затрачивает энергию на создание магнитного поля. Но оно полностью возвращает «долг», когда ток начинает уменьшаться. Итак, реактивная мощность не расходуется, а просто перекачивается от генератора к нагрузке — в нашем примере к звуковой катушке и обратно. Реактивная мощность зависит от реактивного (в нашем случае индуктивного) сопротивления и меняется с частотой.
Для того чтобы отличить активные, потребляемые ватты от реактивных, последние называют вольтамперами. Эта же единица используется для обозначения полной мощности, в которую входит реактивная и активная составляющие. Нужно сказать, что на средних частотах указанная в табл. 8 полная мощность на 80–90 % состоит из активной составляющей, так как большую часть энергии громкоговоритель забирает навсегда. Поэтому в дальнейшем мы будем считать мощность, которая подводится к громкоговорителю, чисто активной и обозначать ее в ваттах, а на реактивную мощность там, где это только возможно, не будем обращать внимания. Кстати говоря, это наше решение прямо вытекает из того, что мы пренебрегаем индуктивной составляющей полного сопротивления катушки и считаем, что полное сопротивление zзв-1000 примерно равно активному Rзв.
В заключение отметим, что номинальная мощность громкоговорителя входит в его название — первая цифра указывает величину Рзв. ном в ваттах (строго говоря, в вольтамперах). Так, например, название 1ГД-9 обозначает: «громкоговоритель динамический на 1 ва». В название может входить еще и третья буква — «В» — высокочастотный и «Р» — рупорный и др. Последняя цифра — это конкретный тип громкоговорителя. Вторая группа букв (они встречаются редко) указывает завод-изготовитель (РРЗ — рижский радиозавод; завод ВЭФ и др.).
До сих пор речь шла о подводимой к громкоговорителю электрической мощности, то есть о том, что получает наш переводчик. Ну, а что он дает взамен? Как использует полученную электроэнергию? Насколько эффективно превращает ее в звуковую? Скажем прямо — хвастаться здесь нечем.
Коэффициент полезного действия динамического громкоговорителя очень мал: 2–3 %. Это значит, если подвести к звуковой катушке электрический сигнал мощностью 1 вт, то диффузор создает звуковые волны мощностью всего в две-три сотых ватта. О продукции громкоговорителя можно судить по среднему звуковому давлению, отнесенному к расстоянию 1 м [4].
На рис. 27 приведен график, который показывает, какую мощность должны получать громкоговорители, чтобы они были достаточно хорошо слышны в том или ином помещении.
Рис. 27. Мощность, необходимая для того, чтобы озвучить то или иное помещение, зависит от его объема, а также от необходимого уровня громкости и уровня внутренних шумов.
Этот график, конечно, нельзя считать непоколебимой нормой — он дает лишь примерное представление о необходимой мощности. Так, для помещения, сильно поглощающего звук (комната, заставленная мебелью, заполненный зал и т. д.), может понадобиться значительно более мощный звук, чем для такого же пустого. Многое зависит от уровня шумов, возникающих в самом помещении или проникающих извне.
Например, когда в вашем классе идет шумный спор, то вы не услышите громкоговоритель, если к нему подвести мощность 2–3 вт. Но когда шум стихнет, то и слабый громкоговоритель, к которому подводится 0,25 или даже 0,1 вт, будет слышен достаточно громко (рис. 29).
Заканчивая разговор о мощности громкоговорителя, сделаем три заключительных замечания.
Первое. Характеризуя работоспособность громкоговорителя, мы всегда будем приводить только величину его электрической мощности, то есть мощности электрического сигнала, подводимого к громкоговорителю. Если известен к. п. д., то в случае необходимости можно легко определить и акустическую мощность.
Второе. В табл. 8 указана номинальная мощность — тот «потолок», выше которого начинается область сильных нелинейных искажений. Ясно, что этот «потолок» должен соответствовать самым громким звукам. Но статистика показывает, что самые громкие звуки бывают не так уж часто, и поэтому средняя мощность, которая подводится к громкоговорителю, а значит, и средняя мощность звуковых волн оказываются обычно в 5—10 раз меньше номинальной. Иногда особенно экономные конструкторы, учитывая, что пиковая (максимальная) звуковая мощность — явление редкое, допускают некоторую перегрузку громкоговорителя. Пример: к громкоговорителю с номинальной мощностью 1 вт подводят сигнал с пиковой мощностью 1,5 вт, а то и 2 вт. В такие моменты нелинейные искажения очень велики и единственным утешением является то, что подобное «безобразие» бывает очень редко. Там, где главной задачей является высококачественное звучание, даже самые кратковременные перегрузки недопустимы.
Третье. В ряде случаев для снижения Кн.и применяются громкоговорители с запасом мощности. Пример: к пятиваттному громкоговорителю подводят 3 вт. Уменьшения звуковой мощности при этом не происходит: электрический сигнал мощностью 3 вт с помощью пятиваттного громкоговорителя создает такую же звуковую мощность, как и с помощью трехваттного.
К этим замечаниям нужно было бы добавить еще одно: о влиянии на мощность громкоговорителя его внешнего оформления. Однако вопрос этот настолько важен, что для его освещения не стоит ограничиваться коротким замечанием — здесь есть о чем рассказать подробно.
Внимание — ящик!
Радиолюбители могут создать свой вариант знаменитой андерсеновской сказки о голом короле. Главным героем этой сказки будет электродинамический громкоговоритель — Его Величество Динамик Первый. Это действительно король-динамик — с роскошной королевской частотной характеристикой (без завалов), с «заграничным» резонансом (резонансная частота составляет 10 гц, то есть выходит за границу слышимого звука) и, конечно, с аристократической степенностью (хорошее демпфирование).
Включили радиолюбители громкоговоритель, слушают, как поет Его Величество, слушают и громко восхищаются:
«Ах, какой тембр!»
«Ах, какие басы!»
«Ах, как плачут скрипки!..»
А каждый, между прочим, про себя думает, что никаких басов, никакого особого тембра не слышно, что звучит король-динамик очень плохо.
Думают так радиолюбители, а сказать об этом стесняются — скажешь, а тебя же засмеют, и выйдет, что ты ничего в динамиках не понимаешь…
И вдруг, почти так же, как и у Андерсена, к радиолюбительской компании подходит мальчик ясельного возраста и говорит такие слова: «Плохо у вас, дяденьки, радио играет, а все потому, что без коробочки». Тут все замечают, что громкоговоритель в спешке действительно забыли вставить в ящик. Вспоминают, что «без одежды» ни один динамик, даже Его Величество Король, не будет хорошо звучать, не сможет показать всех своих достоинств.
Мы с вами не будем следить за дальнейшим развитием событий в сказке «Голый Динамик», а лучше выясним, каким образом и в какой степени внешнее оформление, в том числе и ящик, влияет на качество звучания [5].
Начнем с того, что громкоговоритель может сам ослаблять свое же собственное излучение. В тот момент, когда диффузор сжимает перед собой воздух, двигаясь вперед, сзади диффузора создается разрежение. И наоборот, в момент отступления разрежение создается впереди диффузора, а сжатие — позади. Иными словами, диффузор одновременно излучает две звуковые волны, причем сдвинутые по фазе на 180° (рис. 3, в). Если обе эти волны с тем же сдвигом фаз попадут к нашему уху, то мы вообще ничего не услышим — противофазные волны просто скомпенсируют друг друга (рис. 28, б).
Рис. 28 Акустический экран удлиняет путь обратной звуковой волны (пунктир), создает дополнительный сдвиг фаз и превращает противофазную обратную волну в синфазную.
В реальном случае полного «взаимного пожирания» звуковых волн не происходит хотя бы потому, что в направлении вперед громкоговоритель излучает более сильную волну. А вот резкое ослабление звука из-за противофазного излучения мы наблюдаем на средних и особенно на низших звуковых частотах.
Рисунок поясняет, почему это неприятное явление в основном затрагивает область низших звуковых частот. Вы видите, что волна, возникающая сзади диффузора, приходит к слушателю более длинным путем (пунктирные линии), то есть с некоторым опозданием. На высших звуковых частотах, когда период мал, из-за этого опоздания появляется дополнительный сдвиг фаз, и практически получается, что враги становятся друзьями: обе, в прошлом противофазные, волны действуют согласованно, в фазе. На средних и особенно на низших частотах опоздание составляет лишь небольшую часть периода, и заметного дополнительного сдвига фаз не получается. Таким образом, из-за противофазного излучения падает звуковая мощность (по статистике она в основном приходится на средние частоты) и появляется сильный завал частотной характеристики в области низших частот.
