Расчеты и конструкция самодельной акустики со сдвоенными динамиками

В статье автора, предложившего в 70-х годах конструкцию сдвоенных динамических головок, рассказано об особенности расчета акустических систем с такими головками. Их достоинства - в снижении нелинейных искажений на низких частотах и уменьшении эквивалентного объема воздуха для подобных излучателей.

Традиционные динамические голов-1 ки имеют ряд недостатков среди которых наиболее существенны заметная неравномерность АЧХ и нелинейные искажения, возрастающие с увеличением мощности и понижением частоты звуковых сигналов.

Эти недостатки обусловлены конструкцией динамических головок (несимметричная форма диффузора, неравномерное и несимметричное распределение магнитной индукции в воздушном магнитном зазоре, нелинейность гибкости подвеса подвижной системы и др.), а также технологией их производства [1].

Искажения звуковых сигналов особенно ощутимы в низкочастотном диапазоне, где для высококачественного воспроизведения музыкальных сигналов необходима мощность значительно больше, чем для воспроизведения средних и высоких звуковых частот.

Работы по совершенствованию конструкций и технологии производства динамических головок ведутся постоянно. При этом разрабатывают новые формы магнитных систем, звуковых катушек, диффузоров, подвесов подвижных систем, применяют новые материалы.

Качество воспроизведения АС с современными динамическими головками существенно повысилось и удовлетворяет большинство потребителей, но конструкция головок остается несимметричной. Добиться полной симметрии электромеханической системы в традиционной конструкции динамической головки пока не удается.

Для уменьшения четных гармоник в излучении низкочастотных колебаний электродинамическими головками некоторые зарубежные фирмы стали устанавливать в колонку четыре однотипные головки, размещая на передней панели одну пару диффузорами наружу, а другую пару - диффузорами внутрь ящика, как, например, в низкочастотном блоке АС Audio-Pro В4-2000 [2].

Установка большого числа одинаковых головок на лицевой панели колонки при расширенной полосе частот создает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности излучения.

Оптимальный вариант в решении вопроса высококачественного воспроизведения низких частот и получения диаграммы направленности излучения без провалов - установка одной пары сдвоенных головок необходимой мощности по типу "диффузор к диффузору". Такое расположение стали применять в выпускаемых зарубежными фирмами АС через несколько лет после опубликования статьи о сдвоенных динамических головках [3].

Сдвоенные динамические головки используются зарубежными фирмами и радиолюбителями при изготовлении акустических систем (АС) для высококачественного воспроизведения низких частот звукового диапазона.

Примером могут быть АС датской фирмы JAMO (JAMO PUSH-PULL, JAMO РР3000) [4] и АС С. Гурина [5]. Сдвоенные головки типа "диффузор к диффузору" (рис. 1 слева) используются в АС только для воспроизведения низких частот.

Сдваивание обычных НЧ головок по этому типу позволяет простым путем получить симметричную конструкцию, превосходящую по нелинейным и частотным искажениям современную НЧ головку аналогичной мощности.

Сдвоенные головки типа "диффузор за диффузором" (рис. 1 справа) в основном рекомендуется использовать в АС небольшой мощности для воспроизведения всего звукового диапазона с применением широкополосных головок. Для повышения качества воспроизведения высоких частот рекомендуется такие АС дополнить высокочастотной головкой.

Сдвоенные головки типа диффузор к диффузору и диффузор за диффузором

Рис. 1. Сдвоенные головки типа диффузор к диффузору и диффузор за диффузором.

Параметры сдвоенных динамических головок отличаются от параметров одиночных. Детального технико-экономического анализа и расчетов АС с такими головками в литературе нет, поэтому часть публикаций в журналах по использованию сдвоенных головок содержат наряду с правильными выводами грубые ошибки.

Основными ошибками являются рекомендации по сдваиванию среднечастотных динамических головок [6], по объединению не двух, а большего их числа [7], и применение сдвоенных головок типа "диффузор за диффузором" в высококачественных АС [6].

Прежде чем перейти к особенностям расчета громкоговорителей со сдвоенными головками, полезно привести анализ физических процессов, происходящих в них и влияющих на их основные параметры, для исключения ошибок при конструировании АС. Физические процессы в головках, сдвоенных по типам "диффузор к диффузору" и "диффузор за диффузором", одинаковы. Разница между ними состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем детально будет описано ниже.

Диффузоры сдвоенных головок связаны между собой объемом воздуха, заключенного между ними. Этот объем должен быть герметизирован во избежание нежелательных явлений [3].

Оба диффузора при воспроизведении звукового сигнала движутся синфазно, т. е либо оба наружу, либо оба внутрь корпуса АС Диффузор наружной головки излучает звуковые волны во внешнее воздушное пространство, а диффузор внутренней головки помогает наружному преодолевать упругость воздуха внутри корпуса громкоговорителя, имитируя ящик большего объема, и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же одиночной головной при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Объем воздуха между диффузорами в некоторой степени оказывается присоединенной массой, влияя на фактические параметры этого тандема.

Звуковые колебания в объеме воздуха, заключенного между диффузорами, должны быть синфазными с колебаниями внешнего диффузора. Однако идеально синфазными в широкой полосе они быть не могут, так как с ростом частоты сдвиг по фазе акустических колебаний от внутреннего диффузора и собственно колебаний внешнего диффузора нарастает.

По этой причине сдвоенные головки могут корректно работать только в той полосе частот, в которой длина звуковых волн много больше расстояния между их диффузорами, г. е. только в низкочастотной части звукового спектра. Например, для верхней частоты FH4 150 Гц полосы НЧ длина волны (формула):

формула для расчета

где Сзв - скорость звука в воздухе (м/с).

Среднее расстояние г между диффузорами сдвоенных головок 6ГД-2 РРЗ равно 5 см, и разница в фазе колебаний внешнего диффузора и акустических колебаний от внутреннего диффузора составляет (формула):

формула

На более низких частотах этот фазовый сдвиг еще меньше, и это практически не вносит искажений при воспроизведении реальных звуковых сигналов в полосе НЧ.

Для верхней частоты полосы СЧ, равной 5 кГц, длина волны составит фсч = 344/5000 = 0,069 м = 6.9 см. Среднее расстояние г между диффузорами сдвоенных головок ЗГД-1 РРЗ равно 3 см, и разница в фазе колебаний составит(формула):

формула для расчета

То есть звуковая волна от внутреннего диффузора к внешнему придет практически в противофазе и создаст значительный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки, тем более что на этих частотах амплитуды колебаний звуковой катушки и диффузора СЧ головки значительно меньше, чем у НЧ головок. Это позволяет обеспечить высокое качество звучания средних частот в традиционном варианте соответствующими современными головками.

По этой же причине при сдваивании широкополосных головок для воспроизведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуковую катушку внутренней головки зашунтировать конденсатором соответствующей емкости, сопротивление которого на частоте 1000 Гц примерно в десять раз меньше модуля электрического сопротивления головки [3].

При этом эффект сдвоенных головок проявится только в полосе НЧ, а сигналы более высоких частот будут воспроизводиться только внешней головкой Для таких АС рекомендуется сдваивать головки по типу "диффузор за диффузором".

Широкополосные головки лучше воспроизводят средние и высокие частоты передней частью диффузора, а некоторые из них снабжены дополнительным конусом для воспроизведения высших частот.

Естественно, в АС со сдвоенными широкополосными головками качество воспроизведения низких частот существенно улучшится, а объем ящика уменьшится по сравнению с применением в АС таких же одиночных головок. При сдваивании их по типу "диффузор к диффузору" средние и высокие частоты ослабляются фильтром НЧ кроссовера.

Схемы соединений сдвоенных головок приведены на рис. 2 в соответствии с конструктивным способом сдваивания. Варианты соединения по схемам на рис. 2, а ,б не требуют дополнительного блокирования головки внутри корпуса на частотах, где задержка по фазе становится существенной. При "тандемном” объединении, как показано на рис. 2, в, г, задержка по фазе больше, поэтому необходимы блокирующие реактивные цепи для ограничения полосы эффективного излучения тыловой головки (ВА2).

Схемы соединений сдвоенных динамических головок

Рис. 2. Схемы соединений сдвоенных динамических головок.

При объединении в один блок более двух головок появятся недопустимые фазовые сдвиги звуковых волн между крайними головками даже в низкочастотном диапазоне из-за большого расстояния между ними, а увеличенные габариты этого блока необходимо добавить к расчетному объему ящика АС.

В результате общий объем АС уменьшится не столь существенно, как при сдвоенных головках, но неоправданно увеличится стоимость АС и более мощного усилителя.

Кроме того, амплитуда колебаний диффузора наружной излучающей головки в этом случае не может возрасти больше, чем это получается при сдваивании двух головок из-за ограниченных возможностей подвеса и звуковой катушки. Совершенно очевидно, что, кроме существенных потерь в КПД и полезном объеме ящика АС, в результате увеличения числа головок ничего не получится.

Для высококачественных АС рекомендуется сдваивать головки по типу "диффузор к диффузору", и только для воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет все виды искажений [5], особенно четные гармоники, которые вызывают ощутимые нелинейные искажения [6].

Приведенный ниже сравнительный анализ покажет что основные параметры сдвоенных головок, касающиеся качества воспроизведения звуковых сигналов, существенно выше одиночных.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложены в традиционные конструкциях магнитных систем с несимметричным и неравномерным распределением магнитной индукции в магнитном воздушном зазоре [2] и несимметричной конической формой диффузоров, обладающих "парашютным эффектом” сопротивления воздуху, а также несимметричным размещением звуковых катушек в магнитной системе и нелинейной гибкостью подвесов подвижных систем [1].

Сечение звуковой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индукции

Рис. 3. Сечение звуковой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индукции.

В сдвоенных головках по типу "диффузор к диффузору" достигаются следующие эффекты:

  • нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенсируется:
  • результирующая форма излучателя становится симметричной;
  • компенсируется несимметричное расположение звуковых катушек в магнитных системах; это наиболее полно достигается путем подбора экземпляров головок с одинаковым смещением звуковых катушек, вызванным погрешностью в сборке,
  • результирующее смещение подвижной системы в поршневом диапазоне сдвоенных головок становится симметричным относительно магнитной системы вследствие компенсации силы притяжения звуковой катушки с током к магнитопроводу и неравномерности магнитной индукции в зазоре магнитной системы.

На рис. 3 показаны сечение звуковой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индукции В1 и В2 в области зазоров сдвоенных головок ВА1. ВА2. Значения х, и х2 соответствуют глубине зазора.

В головках, сдвоенных по типу "диффузор за диффузором", устраняются только несимметричное расположение звуковых катушек в воздушных магнитных зазорах путем подбора экземпляров головок с противоположным смещением звуковых катушек, а также неравномерность АЧХ в низкочастотной полосе [3].

Паспортная мощность

Паспортная мощность электродинамической головки - это мощность, при которой головка может длительно работать без повреждений Эти мощности у сдвоенных головок любого типа в два раза больше, чем у аналогичных одиночных головок.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление электродинамической головки - величина комплексная, которая зависит от частоты звукового сигнала и достигает максимума по модулю на частоте основного резонанса [1]. V сдвоенных головок любого типа при последовательном соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном - в два раза меньше. чем у аналогичных одиночных головок.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависимость звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала при неизменной подводимой к звуковой катушке мощности.

Все выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравномерные АЧХ [2], причем АЧХ разных экземпляров одного и того же типа головок имеют разную неравномерность и несколько отличные частоты основного резонанса подвижных систем.

В сдвоенных головках пики и провалы в полосе НЧ частично компенсируются и АЧХ получается более гладкой, а в полосах СЧ и ВЧ эти головки не работают как сдвоенные по указанным выше причинам.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия (КПД) электродинамической головки зависит от параметров ее конструктивных элементов (формула):

формула для расчета

где к - коэффициент пропорциональности, учитывающий удельное сопротивление медного провода и объем звуковой катушки; В - магнитная индукция в воздушном магнитном зазоре; Sзфф - эффективная площадь диффузора; М, - масса подвижной системы.

Из этого соотношения следует, что наибольшее звуковое давление (громкость) создают головки с наибольшим, легким диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с другими головками такой же мощности.

Однако такие головки требуют большего объема ящика АС, который, как будет показано ниже, прямо пропорционален эффективной площади диффузора, гибкости подвеса подвижной системы и обратно пропорционален массе подвижной системы. В сдвоенных головках эффективная площадь диффузора и гибкость подвеса подвижной системы в два раза меньше, а масса подвижной такая же, как у двух одиночных головок.

В связи с этим результирующий КПД сдвоенных головок уменьшается, однако это окупается снижением всех видов искажений, нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и уменьшением объема ящика АС [7].

Эквивалентный объем ЭДГ

Эквивалентный объем электродинамической головки - это объем воздуха в ящике, гибкость которого равна гибкости подвижной системы головки. В сдвоенной головке подвесы работают параллельно, поэтому результирующая гибкость ее в два раза меньше одной одиночной. Соответственно эквивалентный объем сдвоенной головки в два раза меньше одной и в четыре раза - двух одиночных головок [7] (формула):

выражение для расчета

где Vосг - эквивалентный объем сдвоенной головки; Vэ1. Vэ2 - эквивалентные объемы одиночных головок.

Частота основного резонанса ЭДГ

Частота основного резонанса электродинамической головки с подвижной системой в виде диффузора гофра, центрирующей шайбы и звуковой катушки, обладающей массой и гибкостью, представляет собой механическую резонансную систему. Частота резонанса (в герцах) определяется выражением из Г11 (формула):

выражение для расчета

где М, - масса подвижной системы; Сп - гибкость подвеса подвижной системы.

В сдвоенных головках Мг в два раза больше, а Сп в два раза меньше, чем у одиночных головок, поэтому, если не учитывать массу воздуха между диффузорами, частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется.

Приведенных параметров достаточно для расчета АС со сдвоенными головками. Методика расчета подобных АС такая же, как и с одиночными головками. Особенность же заключается в правильном определении параметров сдвоенных головок исходя из параметров используемых одиночных головок.

Объем ящика АС определяется из зависимости частоты основного резонанса головки от его объема. При установке любой головки в ящик закрытого типа частота основного резонанса повышается, и тем больше, чем меньше объем ящика.

Основным параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропорциональна его объему и обратно пропорциональна эффективному диаметру диффузора в четвертой степени [11], формула:

расчетная формула

Из этой зависимости следует, что гибкость воздуха в большей степени зависит от диаметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдвоенной головки относительно двух одиночных существенно повышает Ся.

Нельзя считать, что эквивалентный диаметр сдвоенных головок в два раза меньше двух одиночных. Пересчет нужно вести через эффективную площадь диффузоров, т. е. эквивалентный диаметр двух одиночных головок будет равен по формуле:

выражение для расчета

Эффективный диаметр диффузора сдвоенных головок меньше в 1,41 раза по сравнению с эквивалентным эффективным диаметром двух одиночных головок.

Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует дополнительных затрат труда и материалов Проще, исходя из параметров головок, подлежащих сдваиванию, и желаемого результата, задать новую частоту основного резонанса fр нов и определить объем ящика по формуле:

расчетная формула

где р - плотность воздуха (1,2 кг/м3); с - скорость звука в воздухе (344 м/с); fp - частота основного резонанса головки (Гц); Sд эфф - эффективная площадь диффузора (м2); Мг - масса подвижной системы головки (кг).

Если ящик окажется больше желаемого, тогда придется выбрать несколько выше fр нов„ и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее трудоемко, чем изготовление проверочного ящика.

Эта формула также показывает, что объем ящика АС со сдвоенными головками значительно меньше традиционного варианта, так как эффективная площадь диффузора в два раза меньше, а масса подвижной системы в два раза больше.

В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС. с учетом приведенных выше изменений параметров, пригодны для конструирования АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с рупором, ПАС и т. п.). При конструировании АС со сдвоенными головками необходимо учитывать, что головки вместе с элементами креп

Варианты акустического оформления

Рис. 4. Варианты акустического оформления.

ления занимают определенный объем, который необходимо прибавлять к рассчитанному объему ящика. Максимальное качество звучания достигается при установке сдвоенных головок в фазоинвертор. Для более рационального использования объема ящика АС автором разработана высококачественная АС [8] с применением НЧ узла, защищенного авторским свидетельством [9].

Также рекомендуются варианты установки сдвоенных головок, приведенные на рис. 5. Выходные отверстия могут быть круглыми, овальными или прямоугольными, открытыми или закрытыми декоративными решетками. В качестве материала для ящиков рекомендуется применять ДСП которая более доступна и не издает призвуков, как фанера или доска.

Учитывая, что внутренняя головка демпфирует отраженные звуковые волны внутри ящика [6], звукопоглощающее покрытие внутренних стенок можно не применять.

Все варианты акустического оформления на рисунке 4 предусматривают связь с внешним воздушным пространством через некоторое подобие рупора, который улучшает согласование высокого механического сопротивления электромеханической системы сдвоенных динамических головок с низким сопротивлением излучения, что дополнительно повышает качество звучания АС.

А. Журенков, г. Запорожье, Украина. Р-2010-05.

Литература:

  1. Эфрусси М. Громкоговорители и их применение, 1976.
  2. Алдошина И., Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели, 1985.
  3. Журенков А. Сдвоенные динамические головки. Р-1979-4.
  4. Проспект фирмы JAMO. Danish 1985.
  5. Гурин С. Акустическое оформление громкоговорителей. Р-1991-4.
  6. Жбанов В. О громкоговорителях со сдвоенными головками. Р-1983-2.
  7. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем. Р-1987-2.
  8. Журенков А. АС со сдвоенной головкой. Р-1989-4.
  9. Журенков А. Низкочастотный узел акустической системы.
2 689 Акустические системы
акустическая система динамик
Комментарии (4):
#1 Александр Компромистер Май 23 2017
0

Как определить магнитную индукцию В в зазоре?

#2 Александр Компромистер Май 23 2017
0

Вот, что-то нашел: http://motor-remont.ru/books/book004/book220p69.htm

К слову: "Акустический агрегат с повышенным КПД на низких частотах" - http://cxem.net/sound/dinamics/dinamic35.php

#3 Александр Компромистер Май 25 2017
0

В конструкции [1, Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справ. радиолюбителя. Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. - 1989. - 800 с. - С. 638-641] я применил бы конструкцию см. [1, С. 650]: применил бы вместо имеющихся в НЧ-звене двух 10ГД-36, два блока со сдвоенными диффузор к диффузору и соединенными (в блоке) последовательно головками 8ГДШ-1; в СЧ-звене я бы заменил имеющиеся в конструкции головки марки 4ГД-8Е (4ГДШ-4) головками марки 4ГД-35 (8ГДШ-1); в ВЧ-звене я заменил бы имеющиеся в конструкции головки марки 2ГД-36 головками марки 6ГДВ-2.

#4 Александр Компромистер Май 28 2017
+1

Ре: #3: составлял без оглядки на АЧХ - амплитудно-частотную характеристику динамических головок; хотя, с другой стороны, 4ГД-35 с легкостью воспроизводят диапазон частот 125 Гц ... 7100 Гц, т.к. диапазон воспроизводимых ими частот несравнимо шире: 63 Гц ... 12500 Гц, а с пропиткой нижняя граница опускается еще ниже. Отсюда следует вывод: НЧ-динамики пропитывать не только можно, но и нужно, а в ряде случаев, это суровая необходимость. динамики для СЧ пропитываются, насколько я понял, ради укрепления диффузора, как и ВЧ - для исключения радиальных изломов диффузора (см. 6ГД-2).

cashback