23. Типы и конструкции акустических систем [1970 Гендин Г.С. - Высококачественное звуковоспроизведение]

Принцип действия и конструкция современных громкоговорителей с излучающей системой в виде колеблющейся мембраны конической формы таковы, что передняя и задняя поверхности мембраны (конуса, "диффузора") излучают звуковые колебания в противофазе. Когда конус движется вперед, у его передней поверхности создается сжатие воздуха, а позади - разрежение и наоборот. Взаимодействие двух противофазных волн, идущих от передней и задней поверхностей конуса, вызывает "акустическое замыкание" и приводит к снижению звукового давления, создаваемого громкоговорителем, особенно на низших частотах. Для борьбы с этим неприятным явлением необходимо разделить излучение передней и задней поверхностей конуса.

В идеале следовало бы укрепить громкоговоритель в отверстии бесконечно большой звуконепроницаемой плоскости - акустического экрана (щита, "отражательной доски"). Однако это неосуществимо. Практически по ряду причин экран имеет ограниченные размеры (рис. 57, а). Чаше всего громкоговорители размещают не на плоских акустических экранах (щитах), а внутри футляров обычно в форме параллелепипеда (рис. 57, б). Боковые стенки футляра являются как бы продолжением передней плоскости, увеличивая площадь экрана при сравнительно меньших размерах акустического агрегата. Иными словами, боковые стенки футляра - это как бы отогнутые на 90° назад края экрана.

Рис. 57. Разновидности акустических экранов

Для разобщения излучения передней и задней поверхностей конуса громкоговоритель помещают также в закрытый футляр (рис. 57, в).

Однако если закрыть футляр акустического агрегата глухой задней стенкой (крышкой), то гибкость воздушного объема футляра, действуя совместно с гибкостью подвеса конуса громкоговорителя, повышает частоту механического резонанса громкоговорителя, а это заметно повышает нижнюю границу полосы пропускания агрегата. Поэтому в системах с закрытым ящиком приходится применять громкоговорители с более низкой частотой механического резонанса.

Кроме того, закрытый объем ящика возбуждается на ряде резонансных частот, что приводит к ухудшению частотной характеристики агрегата. Во избежание резонирования полости ящика ее необходимо заполнить звукопоглощающим материалом.

Наличие закрытой полости приводит также к уменьшению звукового давления, развиваемого громкоговорителем, так как конусу громкоговорителя при своем движении приходится преодолевать сопротивление закрытого воздушного объема.

Правда, этот недостаток одновременно является и большим достоинством закрытых акустических систем, так как воздух в замкнутом объеме служит отличным демпфером громкоговорителя, резко уменьшающим неравномерность его частотной характеристики.

Акустические системы открытого типа, напротив, конструируют так, чтобы футляром скомпенсировать недостатки характеристик громкоговорителей, поэтому их размеры, объем и внутреннее устройство зависят от тою, какие именно характеристики громкоговорителей необходимо исправить. Однако это требует громоздких футляров с большим внутренним объемом.

Таким образом, закрытые системы всегда компактны, не требуют "настройки" в процессе их изготовления, но зато имеют значительно меньший к. п. д., т. е. требуют подведения к громкоговорителям большей мощности. Кроме того, для закрытых систем требуются громкоговорители с более низкой частотой собственного резонанса.

Открытые системы позволяют получить то же качество звучания при более высокой резонансной частоте громкоговорителей и меньшей подводимой мощности, но более громоздки, сложнее в изготовлении и по существу требуют той же технологии изготовления и также критичны к качеству применяемых материалов, как и музыкальные инструменты с деревянной декой и с полыми акустическими резонаторами.

Что касается конструкций акустических агрегатов, то они могут быть очень разнообразными, особенно для систем открытого типа. Все это разнообразие можно условно разделить на две группы: конструкции, содержащие различные акустические лабиринты, фазоинверторы, волноводы, резонаторы, и т. п., и конструкции, не содержащие таковых.

Такое условное разделение мы принимаем для того, чтобы подчеркнуть очень важную мысль: системы первой группы обязательно должны быть предварительно точно рассчитаны, их акустические характеристики задаются заранее при проектировании, а процесс изготовления подчинен исключительно получению заданных заранее параметров. Все перечисленные акустические способы формирования частотной характеристики дают ожидаемые результаты только при совершенно точном расчете и не менее точном выполнении конструкции. В противном случае применение этих методов совершенно бессмысленно.

Вот почему мы предостерегаем радиолюбителей, не имеющих достаточного опыта расчета и конструирования акустических систем, от случайного, наугад, выпиливания всевозможных отверстий, щелей в стенках футляра, установки различных перегородок и т. п. в надежде на неожиданное получение потрясающих результатов.

Создание хорошей акустической системы - дело очень тонкое и кропотливое, особенно при отсутствии оборудованного помещения и аппаратуры для акустических измерений, поэтому мы рекомендуем радиолюбителям отдавать предпочтение системам другой группы.

К этой группе мы условно отнесли агрегаты, не содержащие чисто акустических элементов формирования их частотных характеристик. Условно потому, что, собственно говоря, наличие самого футляра, его форма и объем для систем открытого типа - это тоже чисто акустические элементы, участвующие в формировании характеристик акустического агрегата. Однако мы подразумевали отсутствие в этой группе искусственно вводимых акустических устройств.

Системы этой группы можно делать без тщательного и точного предварительною расчета, поскольку многие их показатели можно в широких пределах изменять путем применения различных материалов футляра, его внутренней отделки, подбором формы, толщины и угла наклона переднего щита, комбинацией и расположением громкоговорителей, введением различных электрических фильтров и другими подобными приемами.

Короче говоря, системы этой группы допускают самое широкое экспериментирование с использованием имеющихся подручных материалов (пенопласт, резина, войлок, пробка и т. п.) и типов громкоговорителей, поэтому они наиболее пригодны для радиолюбителей.

По этим соображениям мы не будем рассматривать в книге устройство акустических лабиринтов, фазоинверторов, волноводов, хотя они имеют самое прямое отношение именно к высококачественным акустическим системам, а лучше проведем анализ нескольких конкретных типов любительских систем второй группы.

1. Системы, состоящие из одного акустического агрегата, Такие системы применимы только для монофонических Hi-Fi установок, поэтому они не являются универсальными и перспективными. Мы рассмотрим их здесь только потому, что на их основе в дальнейшем можно путем очень несложной доработки создать отличные стереофонические трехканальные системы с тремя или пятью локализованными источниками звука.

В системе с одним акустическим агрегатом труднее всего получить равномерное озвучание помещения и избавиться от острой направленности звука, поэтому в них приходится всегда применять разделение спектра на три полосы, и использовать для каждого участка минимум по два громкоговорителя.

Правда, в низкочастотной группе по этому признаку можно было бы ограничиться и одним громкоговорителем, так как на низких частотах излучатель не обладает острой направленностью, однако, низкочастотные излучатели имеют собственный механический резонанс у самой границы рабочей полосы частот и поэтому весьма сильно влияют на неравномерность частотной характеристики. Чтобы уменьшить это влияние, лучше всего применить не один, а два однотипных НЧ громкоговорителя с разными резонансными частотами.

Низкочастотные громкоговорители надо располагать в нижней части передней стенки футляра (ближе к полу) так, чтобы оси мембран (конусов) громкоговорителей были горизонтальны, либо были направлены в сторону слушателя (т. е. имели наклон 10-15° к плоскости пола). Последнее достигается соответствующим наклоном щита вместе с громкоговорителями.

Среднечастотная группа может состоять из одного или двух однотипных громкоговорителей. В первом случае (рис. 58, а) он располагается выше низкочастотной группы, практически в центре переднего щита. При двух громковорителях их размещают над основными и под очень небольшим углом друг к другу (5-10°) в горизонтальной плоскости, как показано на рис. 58, б.

Рис. 58. Возможные конструкции мощного широкополосного акустического агрегата

Высокочастотную группу можно делать из четырех или трех однотипных громкоговорителей, размещая их, как показано на рис. 58, а, б. Располагать ВЧ громкоговорители на боковых стенках под прямым углом к основным мы не рекомендуем, так как при этом возникает прямое отражение от боковых стен помещения, резко уменьшающее эффективность излучения, и в оптимальной зоне составляющих высших частот будет недостаточно. Это замечание не относится к случаю углового расположения акустического агрегата в помещении, при котором ВЧ громкоговорители оказываются развернутыми относительно стен на 45°.

2. Системы из двух однотипных звуковых колонок сейчас наиболее распространены, так как при умеренных габаритах обеспечивают очень хорошую равномерность озвучания помещения, одинаково пригодны как для монофонических, так и для стереофонических установок, причем в первом случае легко обеспечивается "псевдообъемность" звука ввиду разнесенных источников - качество, которое практически нельзя получить при одном локализованном источнике звука независимо от количества громкоговорителей в нем.

Если на первых порах такие колонки имели различные формы, то теперь в подавляющем большинстве случаев для систем открытого типа их делают вертикальными, с прямоугольным сечением и большим отношением высоты к глубине и ширине (от 3:1 до 4:1), а для закрытых систем - в форме прямоугольных параллелепипедов с соотношением любых сторон, лежащим в пределах 1:1,5 или реже - 1:2.

Колонки открытого типа почти всегда предназначены для установки прямо на полу, тогда как малогабаритные закрытые агрегаты часто рассчитаны на подвеску на стене или устанавливаться на специальных легких подставках, тумбочках, книжных полках и на стеллажах комбинированной мебели.

По составу громкоговорителей и их расположению колонки этой группы обычно двух- или трехполосные, с вертикальным однорядным или двухрядным расположением громкоговорителей. Низкочастотные излучатели расположены всегда внизу, высокочастотные - в верхней части колонки на том же щите. Несколько громкоговорителей одной полосы частот, как правило, располагаются рядом, на одной высоте, хотя при двух мощных низкочастотных излучателях из-за экономии ширины агрегата их нередко располагают друг над другом.

Высокочастотные излучатели в этих агрегатах на боковые стенки или под углом к лицевой плоскости почти никогда не устанавливают, так как это затрудняет воссоздание точной звуковой картины при стереофоническом звуковоспроизведении. На рис. 59 приведены несколько возможных конструктивных решений для современных Hi-Fi акустических систем, а на рис. 60 - фотографии некоторых отечественных и зарубежных звуковых колонок как открытого, так и закрытого типов.

Рис. 59. Варианты размещения громкоговорителей в акустических колонках. а - открытого типа; б - закрытого типа

Рис. 60. Внешний вид различных звуковых колонок. а - 'Симфония-2'; б - 'Ригонда-стерео'; в - фирмы 'Несо'; г - колонки для размещения на книжных полках и стеллажной мебели; д - различные агрегаты закрытого типа

3. Системы с тремя и более разнесенными акустическими камерами сейчас встречаются довольно редко, хотя в недалеком прошлом они были очень распространенными и популярными. Как правило, такие системы представляют собой сочетание одного мощного низкочастотного или широкополосного агрегата по типу описанного в п. 1 этого параграфа, и двух или четырех (реже - трех) одинаковых выносных высокочастотных излучателей, заключенных каждый в самостоятельную декоративную коробку небольших размеров. Эти выносные ВЧ излучатели с длинными выносными шлангами (по 10-15 м) размещают в разных местах помещения, причем как место их расположения, так и направление излучения выбирают опытным путем по получению наименьшей неравномерности звука в оптимальной зоне.

В радиолюбительской практике такие системы вполне оправданы и еще найдут достаточное распространение, так как позволяют довольно гибко варьировать общую характеристику направленности звука всей акустической системы путем простого перемещения выносных коробок.

Системы этою типа пригодны и для стереофонического звуковоспроизведения по принципу неполного разделения каналов, когда основной низкочастотный излучатель является общим для обоих каналов стереотракта, а непосредственно стереоэффект создается двумя независимыми высокочастотными группами излучателей (по одной в каждом канале).

Для систем этого типа заслуживает внимания довольно своеобразная конструкция высокочастотных излучателей, обладающая хорошей равномерностью излучения в горизонтальной плоскости. В этой конструкции (рис. 61) два одинаковых круглых ВЧ громкоговорителя непривычно расположены один над другим конусами навстречу, но электрически включены противофазно, поэтому их звуковые давления складываются, и система в целом обладает выраженной направленностью только по вертикали. В горизонтальной же плоскости излучение хотя и значительно меньше по величине, но зато совершенно равномерно во все стороны.

Рис. 61. Конструкция высокочастотного излучателя с круговой характеристикой излучения в горизонтальной плоскости

Конструктивное оформление такой группы совершенно не принципиально, желательно только зону стыка громкоговорителей сделать акустически "прозрачной", т. е. помещать излучатели не в глухой стакан, а в ажурный каркас, обтянутый декоративным материалом с редкой фактурой, металлической или капроновой сеткой и т. п.