2.3.2.3. Громкоговорители

Громкоговорители – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические колебания воздуха – слышимый звук. Громкоговорители входят в состав звуковоспроизводящей аппаратуры (магнитофоны, радиоприемники, телевизоры и т. п.), а также выпускаются в отдельном корпусе, в виде акустической системы.

В связи с тем что энергетические возможности колебаний при прочих равных условиях целиком зависят от частоты, технически невозможно изготовить громкоговоритель, одинаково хорошо воспроизводящий весь диапазон звуковых частот. Поэтому выпускается целый ряд громкоговорителей, каждый из которых предназначен для работы в своем ограниченном диапазоне частот.

Для обеспечения высокого качества воспроизведения звука в широком диапазоне частот применяют специальный комплект громкоговорителей (из двух и более) – акустическую систему. Каждый громкоговоритель системы работает в ограниченном диапазоне частот (рис. 135), что достигается применением специальных электрических фильтров.

Н изкочастотные головки воспроизводят диапазон частот от 20–50 Гц до 1000–2000 Гц. Они имеют значительные размеры и массу. Среднечастотные головки предназначены для звуковоспроизведения в диапазоне от 500–1000 Гц до 3000–5000 Гц. Высокочастотные головки работают в диапазоне от 3000–5000 Гц до 15 000–25 000 Гц. Мощность среднечастотных и высокочастотных головок меньше, чем низкочастотных. Это объясняется тем, что в реальном звуковом сигнале максимальную энергию несут звуки низких частот.

Г ромкоговоритель состоит из двух основных частей: головки и акустического оформления. Акустическое оформление повышает качество воспроизведения звука. Головки могут быть различны по конструкции и принципу действия. Наибольшее распространение получили электродинамические головки прямого излучения (диффузорные). Устройство головки показано на рис. 136. При протекании тока по звуковой катушке 5, находящейся в магнитном поле постоянного магнита, катушка перемещается, увлекая за собой диффузор 1. Колебания диффузора создают звуковые волны. Если к звуковой катушке подвести синусоидальное напряжение, то колебания диффузора также будут синусоидальными.

Преобразование сигнала из электрического в звуковой сопровождается появлением частотных и нелинейных искажений. Нелинейные искажения особенно заметны при больших уровнях сигнала, когда звуковая катушка имеет значительную амплитуду колебаний. При этом звуковая катушка выходит из зоны равномерного магнитного поля, что и приводит к появлению искажений.

Звуковые колебания, излучаемые передней и задней сторонами диффузора, находятся в противофазе. Если диффузор движется вперед, то передняя сторона диффузора создает сжатие, а задняя – разряжение воздуха. Длина волны звуковых колебаний низших частот больше размеров головки. Звуковая волна, излучаемая задней стороной диффузора, огибает головку и взаимодействует с противофазной звуковой волной, излучаемой передней стороной диффузора. В результате интерференции излучение головки в области низших звуковых частот уменьшается. Это явление проявляется на частотах ниже 100 Гц. Звуковые колебания более высокой частоты не могут огибать головку, поскольку у них длина волны мала по сравнению с размерами головки.

А кустическое оформление громкоговорителя предназначено для устранения взаимодействия противофазных звуковых волн, излучаемых передней и задней сторонами диффузора.

Из многих существующих вариантов акустического оформления наибольшее распространение получила закрытая акустическая система и фазоинвертор. Реже применяется открытая акустическая система (рис. 137).

Закрытая акустическая система полностью исключает взаимодействие излучения передней и задней сторон диффузора. Излучение задней поверхности диффузора поглощается звукопоглощающим материалом, заполняющим корпус, в котором размещена головка громкоговорителя. Объем воздуха, заключенный в корпусе, препятствует колебаниям диффузора. Это вызывает снижение эффективности работы громкоговорителя.

Открытая акустическая система выполняет роль акустического экрана, который препятствует взаимодействию звуковых волн, излучаемых передней и задней поверхностями диффузора. Для эффективной работы открытой акустической системы корпус должен быть очень большого размера.

Наиболее эффективной конструкцией акустического оформления является фазоинвертор, где используется излучение задней стороны диффузора. Звуковая волна, созданная задней стороной диффузора, излучается через отверстие в корпусе. Размеры корпуса АС подобраны так, что на пути от задней стороны диффузора до отверстия звуковая волна меняет фазу на противоположную. В результате звуковая волна, излучаемая отверстием, синфазна со звуковой волной, излучаемой головкой. Интенсивность излучения низших частот увеличивается.

Важнейшими характеристиками громкоговорителей и акустических систем являются: мощность, эффективный рабочий диапазон частот и импеданс (внутреннее сопротивление).

Электрическая (акустическая) мощность (англ. Power Handling) определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.

Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:

1) номинальная мощность (ГОСТ) громкоговорителя показывает, какую электрическую мощность можно длительное время подводить к громкоговорителю, не опасаясь его повреждения. Превышение номинальной мощности приводит к резкому увеличению нелинейных искажений;

2) паспортная (максимальная шумовая) мощность (ГОСТ) громкоговорителя показывает наибольшую мощность усилителя, с которым может работать данный громкоговоритель. Паспортная мощность в 1,3–2 раза больше номинальной;

3) характеристическая, при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. Рекомендуемое значение этого уровня составляет не ниже 94 дБ на расстоянии 1 метр;

4) максимальная (предельная) шумовая, или паспортная (англ. Power Handling Capacity),– мощность, при которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.

Белым шумом будет такой спектр, у которого на единицу частоты всюду приходится равная энергия, т. е. в полосе частот от 100 Гц до 101 Гц сосредоточено энергии столько же, сколько в полосе от 1000 до 1001 Гц. На экране спектроанализатора со сплошной шкалой частотная характеристика такого шума будет почти горизонтальной прямой (рис. 138). Так как у данного сигнала на каждый герц энергии приходится поровну, то в полосе частот 1000–5000 Гц ее будет в 10 раз больше, чем в полосе 100–500 Гц. Такой шум ничего общего с реальным распределением энергии по спектру, будь то музыка, речь или природные шумы, не имеет.

Розовый шум – эталонный сигнал в электроакустике, эталонный и уникальный, потому что содержит все частоты звукового спектра сразу. Свое название он получил из-за того, что его АЧХ при измерении вдоль непрерывной оси частот имеет постоянный наклон 6 дБ/окт. Чем ниже частота, тем уровень выше.

У розового шума на каждую октаву приходится энергии поровну: от 40 до 80 Гц – столько же, сколько от 400 до 800 и от 10 до 20 кГц. Сигнал с такой АЧХ приближается к спектру реальных звуков (рис. 139).

Рис. 138. АЧХ белого шума на непрерывной шкале, где отображается энергия, приходящаяся на 1 Гц, и на шкале третьоктавного анализатора, показывающего энергию, приходящуюся на каждую октаву (или ее долю)

Рис. 139. У розового шума энергия, приходящаяся на единицу частоты, падает кратно частоте. На каждую октаву (или треть октавы, как показано на графике) энергии приходится одинаково

Максимальная (предельная) синусоидальная (англ. Maximum Sinusoidal Testing Power, Rated Maximum Sinusoidal Power) – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительно работать без механических и тепловых повреждений.

Максимальная (предельная) долговременная (англ. Long Term Maximum Input Power) – мощность, которую акустика выдерживает без механических и тепловых повреждений в течение одной минуты, при таком же испытательном сигнале, как и для паспортной мощности. Испытания повторяются 10 раз с интервалом в 1 минуту.

Максимальная (предельная) кратковременная (англ. Short Term Maximum Input Power) – мощность, которую выдерживает АС при испытании шумовым сигналом с таким же распределением, как и для паспортной мощности, в течение 1 секунды. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 минуту.

Пиковая (максимальная) музыкальная мощность (англ. Peak Music Power Output – PMPO). Методика измерения, определяемая немецким стандартом DIN 45500: на АС подается кратковременный (менее 2 секунд) сигнал частотой ниже 250 Гц. Акустика считается прошедшей испытания, если при этом нет заметных на слух искажений. Данная методика позволяет производителям, часто не очень качественной, аппаратуры, снабжать свои изделия яркими наклейками с текстами: «P.M.P.O.…» (или «Musical Power…»), «…100», «…200» и даже «…1000 Wt». Как понятно из вышесказанного данный параметр, определенный по этой методике, не дает нам точного представления о качественных показателях аппаратуры звуковоспроизведения.

При выборе пары «усилитель плюс АС» желательно, чтобы реальная максимальная мощность акустической системы превышала мощность усилителя приблизительно на 30 % и более. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики по причине подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня, например с усилителем мощностью 50 Вт на канал можно использовать АС с паспортной мощностью 75 Вт.

Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот (англ. Frequency response) – характеристика, в значительной степени определяющая естественность звучания акустики. Производители АС стремятся максимально приблизить значение этого параметра к максимальному диапазону воспринимаемому органами слуха человека (20–20 000 Гц). Типичные значения для полочной акустики – 100–20 000 Гц, для напольной – 40–20 000 Гц. За пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот интенсивность излучения резко снижается.

Эффективно воспроизводимый диапазон определяется характеристиками динамиков, конструкцией и размерами акустической системы, параметрами встроенного разделительного фильтра.

На низких частотах решающую роль играет объем корпуса АС. Чем он больше, тем более эффективно воспроизводятся низкие частоты.

Воспроизведение высоких частот обеспечивается конструкцией и качеством современных высокочастотных динамиков, позволяющих воспроизводить даже ультразвук. Поэтому диапазон воспроизводимых частот некоторых АС превышает верхнюю границу слышимости. Считается, что в этом случае более точно передается тембровая окраска слышимых составляющих звуковой программы.

В каталогах производителей и руководствах пользователя часто приводится график звукового давления, развиваемого акустической системой (график АЧХ), по которому можно определить как эффективный рабочий диапазон частот, так и неравномерность АЧХ (рис. 140, а). Чем меньше звуковое давление зависит от частоты, тем качественнее громкоговоритель.

Идеальной для воспроизведения звука была бы акустика, имеющая АЧХ в виде горизонтальной прямой линии. АЧХ реальных АС представляют собой кривые, имеющие множество пиков и провалов. Появление этой неравномерности при воспроизведении звуков различной частоты вызвано неидеальностью как компонентов, так и акустической системы в целом, наличием различного рода паразитных резонансов, вибрации стенок корпуса и т. п. Чем равномернее АЧХ, тем более естественным будет воспроизведение.

Рис. 140. Частотная характеристика (а) и характеристика направленности громкоговорителя (б)

Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением максимального значения звукового давления к минимальному, или по другой методике – отношением максимального (минимального) значения к среднему в заданном диапазоне частот, выраженном в децибелах. В лучших моделях АС категории достигнут уровень неравномерности ± 2 дБ.

Номинальный диапазон частот – диапазон частот, в котором громкоговоритель обеспечивает параметры, указанные в его паспортных данных.

Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах (рис. 140, б).

Характеристическая чувствительность (англ. Sensitivity Efficiency) – отношение среднего звукового давления, развиваемого акустической системой в заданном диапазоне частот (обычно 100–8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС уровень характеристической чувствительности составляет 86–90 дБ. Этот параметр определяет, какой динамический диапазон, т. е. отношение максимального звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах, способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку, а также звуковое сопровождение кинофильмов.

Коэффициент нелинейных искажений (англ. Distortion Total Harmonic – THD) характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, и как результат – точность воспроизведения. Это очень важный параметр, так как вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего тракта звуковоспроизведения, как правило, является максимальным. Например, коэффициенты нелинейных искажений современного усилителя мощности проигрывателя компакт-дисков составляет сотые доли процента и ниже, в то время как типичное значение этого параметра для акустики – единицы процентов. С увеличением мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Важным параметром громкоговорителя является импеданс (номинальное электрическое сопротивление, определяемое на частоте 400 Гц). Необходимо выбрать акустическую систему с сопротивлением, соответствующим указанному в технических характеристиках усилителя (наиболее распространенные значения – 4, 8 или 16 Ом). Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя, т. е. максимальное качество звука.

Громкоговорители бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры могут быть подключены к усилительным устройствам различного типа. При этом надо учитывать, что каждый усилитель рассчитан на подключение громкоговорителей, обладающих определенным импедансом. Подключение громкоговорителя с меньшим электрическим сопротивлением может вывести усилитель или АС из строя. Допустимо подключение громкоговорителя с большим электрическим сопротивлением, но это приводит к снижению выходной мощности.

Громкоговорители звуковоспроизводящей аппаратуры следует располагать приблизительно на уровне головы слушателя. Для стереофонической аппаратуры большое значение имеет расстояние между громкоговорителями – стереобаза. Оптимальное значение стереобазы составляет 1,5–3 м. При меньшем расстоянии ослабляется стереоэффект. При большем – различаются два отдельно звучащих источника звука.

К ачество работы звуковоспроизводящего тракта проверяют на слух, используя различные тестовые аудиозаписи, например субъективно-статистический метод «Fast Sound Quality» (FSQ), разработанный в Акустическом центре кафедры радиовещания и электроакустики МТУСИ в 2001 г. для проведения профессиональных субъективно-статистических экспертиз (тестирования) по оценке качества звучания звукового тракта (рис. 141). Он позволяет получать высокую достоверность результатов при малых затратах экспертного времени. Метод включает в себя оптимальную выборку объективных и субъективных параметров, определяющих качество звучания, тестовый диск со специально подобранными и записанными фонограммами и методическую разработку проведения прослушивания. Достоинство данного метода – его доступность, позволяющая использовать его внимательным слушателем, и отсутствие необходимости использования дорогостоящей измерительной аппаратуры.