Краткие теоретические сведения. «Акустические системы»

Практическая работа №6

«Акустические системы»

Цель работы.

Используя теоретические знания выбрать акустическую систему для выполнения поставленных целей.

 

Краткие теоретические сведения.

2.1 Назначение и типы акустических систем.

Акустическая система – устройство для воспроизведения звука, состоит з акустического оформления и вмонтированных в него излучающих головок (обычно динамических).

Акустические системы (АС) подразделяются на открытые и закрытые.

Открытая АС – это АС в которой влияние упругости воздуха в объеме акустического оформления пренебрежимо мало, а излучения передней и тыльной сторон подвижной системы головки громкоговорителя не изолированы друг от друга в области низких частот.

Закрытая АС - это АС в которой упругость воздуха в объеме акустического оформления соизмеримо с упругостью подвижной системы, а излучения передней и тыльной сторон подвижной системы головки громкоговорителя изолированы друг от друга в рабочем диапазоне частот.

2.2 Расчет закрытого футляра

Преимущество закрытой АС в том, что задняя поверхность диффузора не излучает и отсутствует акустическое «короткое замыкание».Недостаток – при колебаниях диффузор должен превозмогать дополнительную упругость воздуха в объеме ящика. Наличие этой дополнительной упругости увеличивает резонансную частоту системы и ухудшается воспроизведение частот, лежащих ниже резонанса. Для снижения резонансной частоты системы применяют головки громкоговорителей с тяжелой подвижной системой.

,

где f₀ – резонансная частота системы, Гц; c₀ – гибкость подвижной системы; с – гибкость воздуха в закрытом объеме; m₀ – масса подвижной системы, кг; f₀ - резонансная частота головки громкоговорителя, Гц; V₀ – эквивалентный объем, м³; V – объем оформления, м³.

Гибкость объема воздуха в футляре вычисляют по формуле

где V - объем воздуха в футляре, м³, равный его внутреннему объему за вычетом объема громкоговорителя, который в первом приближении равен 0,4 d4; d - диаметр диффузора, м.

Размеры оформления рекомендуется брать по возможности больше. Рекомендуемый объем в м³ определяется по формуле

,

где f₀ – резонансная частота подвижной системы головки громкоговорителя без оформления, Гц; -c₀ – гибкость подвижной системы; с – гибкость воздуха в закрытом объеме; m – масса подвижной системы, кг; S – площадь диффузора, м².

Габариты закрытого футляра можно уменьшить, заполнив его стекловатой или другим подобным материалом. Такое заполнение равносильно увеличению объема футляра на 40%.

Если полученная расчетом частота f_Р достаточно низка, то громкоговоритель должен иметь Q около 1. Если же частота f_Р недопустимо высока, то хорошие результаты получаются при снижении добротности до значения Q около 0,1; при этом, конечно, необходим подъем нижних частот в усилителе примерно на 6 дБ/октава начиная с частоты

Фазоинвертор.

Фазоинвертор представляет собой футляр 1 (рис.1) с дополнительным отверстием 3, расположенным рядом с укрепленным на той же стенке громкоговорителем 2 и имеющим площадь, как правило, равную площади диффузора.

Рис 1.
На частоте f_Ф фазоинвертор можно рассматривать как акустический трансформатор, улучшающий согласование громкоговорителя с воздушной нагрузкой. Хотя акустическая мощность, отдаваемая передней стороной диффузора, уменьшается на этой частоте, общая акустическая мощность может возрасти значительно. Вместе с тем существенно уменьшаются нелинейные искажения и увеличивается номинальная мощность громкоговорителя вследствие уменьшения амплитуды смещения диффузора.

Полное электрическое сопротивление громкоговорителя R_Г в фазоинверторе имеет обычно два максимума (сплошная кривая на рис. 2) на частотах f₁ и f₂, расположенных по обе стороны от частоты резонанса громкоговорителя в плоском акустическом экране f_Г (штриховая линия на рис. 2, где R - сопротивление катушки громкоговорителя постоянному току).

Рис 2.

Если желательно, чтобы частотная характеристика громкоговорителя в фазоинверторе была горизонтальна в нижней части рабочего диапазона частот, начиная от /г, то необходимо выполнить условие Q_Г = 0,6.

Настройка фазоинвертора производится изменением площади отверстия (например, пластиной, укрепленной так, чтобы ее поворот изменял площадь отверстия) или глубины туннеля. Необходимо стремиться к тому, чтобы частотный интервал, разделяющий резонансные пики полного сопротивления, не отличался значительно от октавы; амплитуды пиков были равны; любые дополнительные пики, вызванные возникновением стоячих волн в ящике, ликвидировались путем добавления демпфирующего материала.

Преимущество фазоинвертора в сравнении с закрытым ящиком того же объема состоит в увеличении акустической мощности приблизительно на 5 дБ в диапазоне от одной до двух октав и в уменьшении нелинейных искажений в диапазоне частот fФ - 2/ф при той же акустической мощности.

Недостатком фазоинвертора являются более быстрое уменьшение акустической мощности на частотах ниже f_Ф, чем в закрытом ящике, и необходимость настройки.

 

2.3 Выбор громкоговорителей.

Звуковоспроизведение с качеством по классу I обычно можно получить, применяя широкополосный громкоговоритель, например 4ГД4, 4ГД7 или 4ГД28, либо разделяя полный диапазон частот, соответствующий этому классу, на две полосы. Для обеспечения звуковоспроизведения с качеством по классу "высший" встречается необходимость разделять полный диапазон на три полосы.

Номинальный диапазон частот громкоговорителя, предназначаемого для воспроизведения той или иной полосы, должен быть шире этой полосы на две октавы при использовании фильтров с крутизной 6 дБ/октава и на одну октаву при использовании фильтров с крутизной 12 дБ/октава. Частоту разделения двухполосной системы выбирают обычно от 400 до 1 200 Гц. В трехполосной системе нижнечастотное звено может работать до 300-600 Гц, среднечастотное - до 2 000- 5 000 Гц.

На основе расчета выбирают конденсаторы с ближайшими большими номинальными стандартными емкостями. Для подбора емкости возможно параллельное соединение нескольких конденсаторов. Очевидно, что при отклонении емкости конденсатора от полученной расчетом величины частота разделения будет отличаться от заданной.

В разделительных фильтрах обычно используют металлобумажные конденсаторы типов МБГО, МБГП и МБМ с допускаемым отклонением от номинальной емкости не более ± 10%. Наиболее подходящие для использования в фильтрах тип номиналов конденсаторов приведены в табл 1.

Таблица 1

Тип конденсатора	Емкость, мкф
МБМ МБГО, МВГП МБГП МБГО	0,6 1; 2; 4; 10 15; 26 20; 30

Емкости конденсаторов фильтров С1...С4 для различных сопротивлений головок и соответствующие значения частот раздела приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Zг,0м	4.0	4.5	5.0	6.5	8.0	12,5
С1,C2, мкф
fp1, Гц						-
С3,С4, мкф							1.5
fр2,Гц	5.8	5.2	5.	4,4	4.8	4,6	5.4

Пример расчета фильтра.

В качестве низкочастотной головки громкоговорителя используется динамическая головка 6ГД-2, номинальное сопротивление которой Zг=8 Ом. в качестве среднечастотной - 4ГД-4 с таким же значением Zг и в качестве высокочастотной - ЗГД-15, для которой Zг=6,5 Ом. Согласно табл. 2 при Zг=8 Ом и емкости С1=С2=20 мкФ fp1=700 Гц, а при емкости С3=С4=3 мкФ fр2=4,8 кГц. В фильтре можно применить конденсаторы МБГО со стандартными емкостями (С3 и С4 составляют из двух конденсаторов).

По приведенным выше формулам находим: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 - это значение индуктивности между выводами 1-3).

Коэффициент трансформации автотрансформатора

 

Практические задания.

1. Выбрать громкоговорители и тип акустической системы для бытовой аппаратуры согласно заданному варианту из таблицы 3.

При выборе АС необходимо кратко изложить обоснование выбора типа АС, материала ящика, тип и количество громкоговорителей, частот раздела и схемы разделительных фильтров.

2. Рассчитать элементы разделительного фильтра для выбранной схемы.

3. Описать методику проверки фазировки громкоговорителей.

Таблица 3.

Вариант
Р ном, Вт	0.5	0.25	1.0	1.5	2.0	0.25	0.5	1.0	1.5	2.0
Z ем, Ом	2.0	4.0	8.0	16.0	2.0	4.0	8.0	16.0	2.0	4.0
f Н – fВ, Гц	50-5000	100-15000	80-12000	150-8000	150-5000	100-10000	50-15000	50-6000	100-8000	100-10000
N, дБ	6.0	8.0	10.0	12.0	6.0	8.0	10.0	12.0	8.0	10.0
pн, Н/м2	0.5	1.0	0.8	1.2	0.5	1.0	0.8	0.5	1.0	1.2
Kг, %	7.0	10.0	120	15.0	17.0	10.0	7.0	10.0	12.0	15.0

 

Вариант
Р ном, Вт	2.0	4.0	8.0	16.0	2.0	4.0	8.0	16.0	2.0	4.0
Z ем, Ом	4.0	8.0	16.0	2.0	4.0	8.0	2.0	4.0	8.0	16.0
f Н – fВ, Гц	100-15000	80-10000	150-8000	150-5000	50-5000	80-8000	100-12000	100-10000	50-15000	150-6000
N, дБ	8.0	10.0	12.0	8.0	10.0	6.0	8.0	10.0	12.0	6.0
pн, Н/м2	1.0	0.8	0.5	1.0	1.2	0.5	1.0	0.8	1.2	0.5
Kг, %	20.0	7.0	10.0	12.0	15.0	7.0	10.0	120	15.0	17.0

Где Р ном.- номинальная мощность усилителя, Вт; Zем - емкостное сопротивление, Ом; Δf = f _Н – f_В –диапазон рабочих частот системы, Гц; N – неравномерность частотной характеристики чувствительности, дБ.

Примечание. Максимальная температура, t max = 40⁰ C для вариантов 1-10, t max = 20⁰ C

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое акустическая система?
2. На какие системы подразделяются акустические системы (АС)?
3. Что значит открытая АС?
4. Какая акустическая система называется закрытой?
5. В чем заключается преимущество закрытой АС?

6. Как вычисляется гибкость объема воздуха в футляре?

7. Что представляет собой фазоинвертор?

1. С помощью чего производится настройка фазоинвертора?
2. Что является преимуществом, а что недостатком фазоинвертора?
3. Как производится выбор громкоговорителей?
4. Какие конденсаторы используют в разделительных фильтрах?

Литература

1. Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. – М.: Издательство стандартов, 1971.

2. Хакимов О.Ш., Юнусов Б.Х. Акустические измерения. Учебное пособие. – Ташкент: Таш. гос. техн. ун-т. – 1997, 132 с.

3. Радиовещание и электроакустика, под редакцией М.В.Гитлица, М. Радио и связь, 1989 г.

4. Справочник «Акустика» Под общей редакцией М.А.Сапожкова.