Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Электрическая схема устройства получается предельно простой: два интегральных усилителя для двух стереоканалов да несколько навесных деталей — вот и все.
К сожалению, такими же успехами пока не может похвастаться электроакустика. И это не случайно. Спроектировать хорошую акустическую систему — очень сложная задача, связанная со многими чисто физическими ограничениями. Главной проблемой обычно является воспроизведение наинизших частот звукового спектра. На этих частотах громкоговоритель должен излучать довольно длинные звуковые волны. Длину звуковой волны можно рассчитать по обычной формуле λ = v/f, где v — скорость звука в воздухе, равная 330 м/с, а f — частота звуковых колебаний. Если на частоте 300 Гц длина звуковой волны чуть больше метра, то на частоте 30 Гц она составляет уже 11 м! Чем же это плохо? А вот чем. Устройство обычной динамической головки громкоговорителя вы наверняка знаете. Имеется звуковая катушка, скрепленная с диффузором и помещенная в поле сильного постоянного магнита. Когда по катушке проходит ток звуковой частоты, возникает сила Ампера, заставляющая двигаться катушку и диффузор. Двигаясь вперед, диффузор создает волну сжатия. По в то же самое время на задней стороне диффузора возникает волна разрежения, и если скорость движения диффузора невелика, то воздух просто перетекает от передней стороны диффузора к — задней, не создавая звуковой волны в окружающем пространстве.
Устройство и внешнее оформление динамической головки громкоговорителя:
1 — магнит; 2 — звуковая катушка; 3 — керн; 4 — центрирующая шайба; 5 — диффузор; 6 — диффузодержатель; 7 — отражательная доска
Самый простой способ улучшить воспроизведение низших частот — поместить головку на акустический экран больших размеров, раньше такой экран называли «отражательной доской», подчеркивая этим тот факт, что экран, да и весь корпус громкоговорителя изготавливали из деревянных досок. Сейчас для этой цели чаще используют древесно-стружечные плиты. Экран эффективно действует до тех пор, пока расстояние от передней стороны диффузора до задней, измеренное в обход края экрана, будет больше половины длины звуковой волны. Итак, для воспроизведения частоты 30 Гц нужен экран со стороной 5,5 м!
Как же быть? Неприемлемый из бытовых соображений, но вполне разумный с физической точки зрения выход заключается в следующем: вы сверлите круглую дыру в стене, разделяющей две комнаты и вставляете в нее динамическую головку. Стена служит акустическим экраном. А вот решение, предложенное одним американским радиолюбителем; я видел этот рисунок в старом журнале. Автор приглашает в гости (наверное, на прослушивание) приятеля и обещает: «Боб, ты не слышал Hi-Fi, пока не слышал моего!».
Кстати, тут следовало бы объяснить этот, получивший широкое распространение термин «Hi-Fi»(начальные буквы английских слов high fidelity — высокое качество, высокая верность воспроизведения звука).
«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.
