Cortocircuito acustico in un altoparlante e suo superamento. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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È possibile avere un diverso design acustico dell'altoparlante oltre all'ormai ampiamente utilizzato invertitore di fase o scatola chiusa, nonché varianti più costose di altoparlanti a tromba ea labirinto? Questo articolo descrive un metodo per ampliare la larghezza di banda delle basse frequenze riprodotte in modo efficace in custodie di tipo aperto e fornisce progetti pratici di altoparlanti.

In un altoparlante, quando il cono di una testina elettrodinamica oscilla, le sue superfici anteriore e posteriore mettono in movimento l'aria, creandone alternativamente compressione e rarefazione. Pertanto, quando la pressione aumenta da un lato del diffusore, dall'altro, al contrario, diminuisce. Alle basse frequenze, se la testina dinamica non ha un design acustico (nello spazio libero), a causa della diffrazione delle onde sonore, si verifica un cortocircuito acustico e la conseguente pressione sonora nello spazio circostante viene notevolmente indebolita.

Per eliminare questo dannoso fenomeno, la testina dinamica è posta in uno schermo acustico, che elimina l'effetto di compensazione delle oscillazioni di compressione-scarico in antifase. I progetti principali di tali schermi e le loro caratteristiche sono descritti in [1-3]. Ricordiamo brevemente queste varianti ben note.

Uno schermo le cui dimensioni devono essere sufficientemente grandi e almeno commisurate alla lunghezza d'onda acustica alla frequenza più bassa riproducibile. A frequenze più basse (decine di hertz), le dimensioni dello scudo sono grandi - diversi metri, il che è inaccettabile per progetti pratici.

Una scatola con una parete posteriore aperta è uno scudo "piegato". Un tale design acustico dell'altoparlante era ampiamente utilizzato negli anni 30-60 del secolo scorso, quando i requisiti per la banda di vibrazioni sonore riproducibili erano piccoli.

Una scatola con un labirinto, la cui lunghezza è pari alla metà della lunghezza d'onda alle basse frequenze [1], è irragionevolmente complessa nella tecnologia di progettazione e produzione e, quindi, non è praticamente comune.

Un corno, che è una guida d'onda divergente, viene utilizzato anche per aumentare l'uscita del suono. Alle basse frequenze, le dimensioni della tromba sono troppo grandi.

Scatola chiusa, solitamente riempita con materiale fonoassorbente per evitare onde stazionarie e di altro tipo. In questo caso l'energia acustica emessa dalla superficie posteriore del diffusore viene dissipata all'interno del cassonetto.

Una scatola chiusa con un invertitore di fase è ora uno dei tipi più popolari di design acustico, proposto nel 1930. Un invertitore di fase è un tubo o un foro praticato in una scatola. L'invertitore di fase opera in una banda di frequenza molto stretta e, con una gamma sufficientemente ampia di segnali a bassa frequenza, i processi transitori vengono ritardati sotto forma di "colorazione" dei suoni del registro dei bassi. Di conseguenza, strumenti musicali di timbri diversi suonano in modo molto simile, ovvero l'invertitore di fase distorce effettivamente il suono reale. Come nella versione precedente, nella cassa si perde circa la metà della potenza acustica. L'assenza di altri progetti acustici efficaci costringe gli sviluppatori di sistemi acustici (AS) a utilizzare questa soluzione tecnica [2, 3].

Superare il cortocircuito acustico nell'altoparlante creando un design acustico semplice ed efficiente dal punto di vista energetico degli altoparlanti, operando in un'ampia banda di frequenze sonore praticamente senza perdita di suono, è attualmente un problema importante e irrisolto [2, 4].

Le soluzioni tecniche descritte nell'articolo, che escludono i cortocircuiti acustici, consentono di utilizzare l'ambiente sonoro per aumentare l'efficienza dell'AU alle basse frequenze. Allo stesso tempo, i requisiti per la progettazione del design acustico sono ridotti a causa dell'esclusione delle onde stazionarie nella scatola, poiché l'energia sonora della radiazione posteriore della testa lascia la scatola nello spazio, esprimendola. In questi progetti, l'influenza dell'elasticità dell'aria limitata dal volume della cassa è ridotta o scompare completamente, e l'aumento della frequenza di risonanza dell'altoparlante.

L'energia sonora nei materiali solidi si propaga sotto forma di flusso, e la propagazione ortogonale rispetto all'asse della radiazione è molto minore (fino a -30 dB) che lungo l'asse della radiazione [5]. Nell'ambiente aereo, operano anche i principi dell'addizione vettoriale della velocità vibrazionale, indipendentemente dalla frequenza e dalla fase dei flussi sommati di vibrazioni sonore. È anche noto dalla teoria delle oscillazioni [6] che due oscillazioni armoniche aventi la stessa frequenza e una fase arbitraria tra loro e che si propagano reciprocamente perpendicolarmente non interagiscono tra loro. Nella zona vicina degli emettitori, risultano importanti i rapporti tra la velocità vibrazionale e la velocità di propagazione, nonché la lunghezza d'onda a e il diametro dell'emettitore d (buchi di radiazione). La separazione dei flussi sonori di radiazione diretta e inversa della testina e la loro conversione in flussi ortogonali tra loro consente di eliminare il cortocircuito acustico dell'emettitore.

Mediante accorgimenti costruttivi - con l'ausilio di una "guida d'onda" - è possibile ruotare di 90 gradi il flusso sonoro creato dalla superficie posteriore del diffusore dell'altoparlante, come mostrato in Fig. 1 (vettore B). In prossimità del punto O si sommano le velocità oscillatorie del flusso tangenziale dalla guida d'onda e il flusso della radiazione frontale della testa (vettore A). Se i flussi e le velocità vibrazionali sono uguali, quando si calcola la risultante R, si ottiene la pressione acustica totale 1,41 volte maggiore di ciascuna delle componenti.

Pertanto, nello spazio vicino all'emettitore, la pressione acustica p aumenta di 3 dB. La potenza acustica sprigionata dai diffusori presenti nella stanza [7] raddoppierà, quindi, per ottenere la stessa potenza sonora per un tale diffusore, sarà necessario un UMZCH pari alla metà della potenza:

Ra = p2V/Tc 10-5, W (a Rr = 3 m),

dove V è il volume della stanza; Тс - tempo medio di riverbero ottimale; Rr - raggio del braccio.

Come si evince dalla formula, il valore della potenza acustica Ra aumenta sensibilmente se si abbandonano le ben note soluzioni progettuali per la progettazione acustica dei diffusori. Dato l'effetto del materiale fonoassorbente tipicamente inserito nella scatola chiusa di un altoparlante per assorbire l'energia irradiata dalla parte posteriore del cono, il vantaggio reale può essere ancora maggiore.

Seguendo il principio dichiarato dell'esclusione del cortocircuito acustico, l'autore ha sviluppato costruzioni di progettazione acustica, una delle cui varianti è mostrata in Fig. 2.

In un caso con parete posteriore cieca 1, la parte inferiore del pannello frontale 2 ("piatto rotto") è inclinata rispetto alla verticale, formando con la parte superiore del pannello frontale una "guida d'onda" per le onde sonore generate dalla parte posteriore della testa dell'altoparlante. Nel calcolo del progetto, è importante soddisfare la condizione che l'area della sezione trasversale della guida d'onda, attraverso la quale il flusso sonoro si propaga dalla scatola, non sia inferiore all'area della superficie posteriore del diffusore. In caso contrario, la riproduzione delle frequenze più basse sarà indebolita a causa dell'elasticità residua dell'aria nella cassa.

Le misurazioni effettuate nella camera anecoica dell'Istituto acustico dell'Accademia delle scienze russa hanno confermato le ipotesi considerate, il che ci consente di formulare le raccomandazioni presentate in questo articolo. Il suono che emerge dalla guida d'onda è esaurito nella regione delle alte frequenze e suona più vellutato all'orecchio rispetto al suono del flusso frontale. Ciò non pregiudica affatto la musicalità del suono dovuta ad una diversa direzione del flusso espanso: anche la stanza partecipa alla formazione dell'immagine sonora, rendendola voluminosa. Anche se la stanza contiene molti fonoassorbenti, come tappeti e mobili imbottiti, la naturalezza del suono e la sua spaziosità non vengono perse.

Sulla base del metodo proposto, l'autore ha sviluppato e realizzato un sistema di altoparlanti stereo "Tsunami". Ciascuno degli altoparlanti del sistema utilizza una testina L-15 da 3712 pollici a bassa frequenza (dalla Germania), che ha una potenza massima di 100 W, e due testine ad alta frequenza 6GDV-4. La gamma sonora è divisa in due bande: 20...5000 Hz e 5000...25000 Hz. L'efficienza misurata nella modalità LF è risultata essere di 110 dB/VBt-m con un'eccellente qualità di riproduzione del suono. Con l'ausilio di questo altoparlante, con una potenza elettrica media di 5 W, è stata suonata una sala con 600 persone per ogni canale.

I risultati di studi sperimentali su campioni di altoparlanti e sistemi acustici sono stati presentati dall'autore in una relazione alla Nizhny Novgorod Acoustic Session [7].

Sulla fig. 3 mostra un altro progetto di altoparlante e un diagramma vettoriale della propagazione dei flussi sonori A, B e R.

Il flusso sonoro A è frontale, il flusso B è posteriore. Il vettore R è la risultante dell'addizione dei vettori A e B. In questa figura, le seguenti designazioni degli elementi: 1 - testa sonora; 2 - corpo; 3 - guida d'onda per l'emissione di energia sonora della radiazione posteriore; 4 - foro di uscita della guida d'onda; 5 - parete della guida d'onda; 6 - parete frontale della guida d'onda. Un tale altoparlante fornisce una distribuzione più diffusa del suono nello spazio. Anche le testine ad alta frequenza sono installate sulla parete frontale dell'altoparlante.

Analisi dei diagrammi vettoriali mostrati in fig. 1 e 3 si evince che il metodo proposto per l'eliminazione della chiusura acustica tra i flussi A e B consente di superare questo dannoso fenomeno in impianti sonori con contemporaneo guadagno energetico e qualitativo.

Il lavoro sperimentale è stato svolto con teste 4A-32 in una grande stanza chiusa utilizzando un generatore di suoni GZ-33, un voltmetro VZ-33, un frequenzimetro 43-32 e un misuratore di rumore di precisione 00017 con un microfono a condensatore di tipo MKD.

Per ottenere parametri comparativi è stato studiato anche un diffusore convenzionale con testina 4A-32; come prototipo è stato preso un altoparlante seriale 35GD-4 in una custodia chiusa. La sua risposta in frequenza misurata è mostrata in fig. 4.

Nella gamma di frequenze 80 ... 12000 Hz, la sensibilità caratteristica media è di circa 94 dB / VBt-m con irregolarità fino a 26 dB. Il materiale fonoassorbente è inserito nella custodia. Il suono di questo altoparlante non è di alta qualità.

Sulla fig. La Figura 5a mostra i risultati della misurazione della risposta in frequenza dell'altoparlante Tsunami (il suo design è simile a quello mostrato in Fig. 1) con la stessa testa 4A-32. L'efficienza media della radiazione frontale è aumentata a 98 dB/VBt-m nell'intervallo di frequenza 40...20000 Hz, l'irregolarità della risposta in frequenza è diminuita a 9 dB, la banda di frequenza riproducibile è stata ampliata. Il guadagno in termini di efficienza elettroacustica del prototipo e dell'AS "Tsunami" si è rivelato di 6,4 volte!

Sulla fig. 5,6 mostra la risposta in frequenza dell'altoparlante lungo il vettore B, da cui segue che la banda di frequenza irradiata è 50..J6000 Hz con un'efficienza di 96 dB / W-m e irregolarità nella banda di 12 dB. In AS 35GD-4 e simili, l'energia della radiazione posteriore della testa viene convertita in calore.

AS realizzato dall'autore per analogia con il disegno di fig. 2 utilizzando alloggiamenti di televisori a tubo "Rubin", "Electron" e altri hanno mostrato risultati eccellenti. Sono state utilizzate testine 4A-32, 6GD-2, ecc., in grado di riprodurre bene le basse frequenze. L'autore non ha utilizzato teste con un sistema di movimento pesante a causa della loro bassa efficienza e della banda di frequenza operativa non sufficientemente ampia. La fabbricazione dei diffusori proposti, privi di cortocircuito acustico, è disponibile in casa ed è interessante per lo smaltimento di apparecchiature obsolete.

Il metodo proposto per eliminare i cortocircuiti acustici in un altoparlante consente di migliorare sensibilmente anche gli altoparlanti a tromba. Sulla fig. 6 mostra un design semplificato di un altoparlante a tromba 1, realizzato sulla base di una testa elettrodinamica convenzionale (diffusore) 2. L'emissione diretta del suono avviene attraverso la tromba 3 e la radiazione di ritorno dalla testa attraverso una guida d'onda simmetrica 4. Un diagramma vettoriale dei flussi di radiazione sonora nel piano orizzontale è dato nello stesso punto.

I progetti AS presentati nell'articolo, costruiti sulla base delle disposizioni dichiarate, sono solo una piccola parte della possibile varietà di opzioni.

Letteratura

1. Sapozhkov MA Elettroacustica. - M.: Comunicazione, 1978.
2. Dyakonov B.P. Apparecchiature audio per la casa. - Smolensk, Russia, 1997.
3. Burko B. G., Lyamin P. M. Sistemi acustici domestici: funzionamento, riparazione. - Minsk, "Bielorussia", 1996,350 p.
4. Olson G., Massa F. Acustica applicata. Traduzione dall'inglese, ed. I. G. Dreizen e Yu. M. Sukharevsky. - M.: Casa editrice radiofonica, 1938, p. 349.
5. Nosov VN Ricerca e sviluppo di metodi statistici di controllo acustico delle rocce. - M.: MGI, dissertazione per il titolo di candidato di scienze tecniche, 1972, p. 157.
6. Malov N. N. Fondamenti della teoria delle oscillazioni. - M.: Illuminismo, 1971. p. 62.
7. Nosov VN Problemi di elettroacustica e loro soluzioni. Risultati di studi sperimentali su campioni di altoparlanti e sistemi acustici. - Nizhny Novgorod: Atti della sessione acustica della Nizhny Novgorod State University, maggio 2002

Autore: V. Nosov, Mosca

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