Каталог моделей акустических систем на базе коаксиальных динамических головок Tannoy

Акустическое оформление

Типы акустического оформления

Излучатель акустической системы не может произвольно находиться в пространстве, он должен быть закреплён на какой-либо конструкции. Все варианты подобных конструкций охватить довольно трудно, поэтому ниже рассмотрены наиболее характерные из них.

Следует отметить, что исторически акустические оформления были разработаны, исследованы и применены на практике не в той последовательности, как указано выше в списке. До появления электродинамических излучающих головок и, соответственно, электрических усилителей необходимо было решить, в первую очередь, проблему слабого уровня воспроизводимого сигнала. Поэтому именно рупорное акустическое оформление стало одним из первых.

Но здесь типы акустического оформления упорядочены по степени усложнения проектирования и изготовления.

См. также расшифровки используемых сокращений

А для начала рассмотрим чуть подробнее основную причину низкой эффективности акустических систем, а именно:

Акустическое замыкание

Согласно физической теории размеры источника излучения должны быть сопоставимы с длиной излучаемой волны. То есть чем ниже частота излучаемых колебаний, тем крупнее должны быть размеры источника колебаний. Если размеры источника малы, то при низкой частоте колебаний значительная часть возмущённых воздушных масс будет успевать перетекать из создаваемой области повышенного давления в область разрежения. Это приводит к тому, что излучатель начинает работать «в холостую». Этот эффект называется «акустическим замыканием».

При движении излучателя вправо, воздух успевает перетечь налево в область разрежения. И, наоборот, при движении излучателя влево, воздух перетекает вправо, что приводит к потере энергии возбуждения.

Если частоту колебаний увеличить так, что скорость звука не будет позволять основной части возбуждаемого объёма воздуха перетекать в область разрежения, то излучатель начнёт работать более эффективно. Амплитуда возбуждаемых колебаний станет больше, соответственно извлекаемый звук станет громче.

Открытое исполнение

Так как в свободном положении динамическая головка излучает звуковые волны одновременно в переднее и заднее полупространство, но в противофазе, то для уменьшения эффекта «акустического замыкания» необходимо отдалить в пространстве область, в которой произойдет соединение фронтальной и задней звуковой волны.

Акустический экран (baffle)

Самая простая конструкция для открытого крепления динамической головки — щит или плита, в которую устанавливается излучатель. Такой вариант оформления называется «акустический экран».

Щит выполняет роль экрана, который частично отделяет переднее полупространство излучателя от заднего. Чем больше площадь акустического экрана, тем позже происходит акустическое замыкание звуковых волн, излучаемых динамической головкой в переднюю и заднюю полусферу.

Открытый ящик (opened box)

Если вместо щита использовать прямоугольный незамкнутый корпус, у которого в задней стенке имеются сквозные отверстия или же задняя стенка вообще отсутствует, то получится конструкция типа «открытый ящик». Акустическое действие «открытого ящика» аналогично «акустическому экрану».

Конструкция типа «открытый ящик» была очень широко в распространена бытовой радиоаппаратуре: домашние радиоприёмники, радиолы, электрофоны, магнитолы, телевизионные приёмники. Среди концертного оборудования подобное исполнение применяется, например, для гитарных кабинетов.

Закрытое исполнение

Закрытый ящик (closed box, sealed box)

Полностью избежать эффекта «акустического замыкания» позволяет конструкция типа «закрытый ящик». Динамическая головка устанавливается в отверстие закрытого ящика таким образом, что слушатель воспринимает только полезный сигнал от передней части диффузора, а обратное излучение диффузора динамической головки полностью остаётся внутри акустически непроницаемого ящика, где и рассеивается в виде тепла.

В таком оформлении изготовлены многие домашние акустические системы высокой верности воспроизведения, автомобильная акустика и профессиональные системы. Оформление «закрытый ящик» наименее затратно с точки зрения проектирования и изготовления.

Бесконечный акустический экран (infinite baffle)

Так как находящийся внутри закрытого ящика воздух является упругой сжимаемой средой, то чем больше внутренний объем корпуса, тем меньше влияние упругости воздуха, находящегося в замкнутом корпусе, на работу динамической головки. А чем меньше внутренний объем корпуса, тем быстрее и резче изменяется внутреннее давление во время работы излучателя. То есть в малых внутренних объёмах корпуса внутренний воздух начинает работать как пружина, добавляющая упругое сопротивление свободному движению диффузора.

Поэтому можно сказать, что у каждой динамической головки (в зависимости от её характеристик) есть свой минимальный внутренний объем закрытого ящика, при котором головка перестает «ощущать» упругое влияние воздуха, размещенного внутри корпуса. Акустическое оформление систем, обладающих внутренним полезным объемом, превышающим указанный минимальный порог, называется «бесконечный акустический экран».

Такую конструкцию можно встретить в частных домах некоторых меломанов, либо в некоторых студиях звукозаписи. Выглядит она так, как будто динамическая головка устанавливается в межкомнатную стену, и одна комната превращается в место прослушивания, а другая — становится внутренним рабочим объемом акустической системы.

Акустический резонатор / трансформатор / фильтр

Рассмотренные выше типы акустического оформления в разной степени решают проблему «акустического замыкания» динамической головки и, соответственно, с разной степенью эффективности повышают её коэффициент полезного действия. Но важно понимать, что их КПД не превышает 3%.

Фазоинвертор (bass reflex)

В акустическом исполнении «закрытый ящик» энергия от работы задней поверхности диффузора динамической головки полностью поглощается внутри корпуса, преобразуясь в тепло. Идея фазоинвертора состоит в том, чтобы отфильтровать НЧ-составляющую энергии от задней поверхности диффузора и синфазно сложить её с полезным излучаемым сигналом. Для этого в корпус типа «закрытый ящик» в определённом месте устанавливается определённых размеров звуковой канал круглого или прямоугольного сечения.

Правильно подобранные геометрические характеристики для трубы фазоинвертора позволяют получить резонансное усиление небольшой полосы НЧ-диапазона воспроизводимого сигнала. Но слева и справа от этой полосы, на которую настроена работа фазоинвертора, будет наблюдаться обратная картина в виде провала звукового давления из-за взаимного поглощения акустических волн идущих в противофазе.

Тем не менее, данный тип акустического оформления широко распространён как в бытовых акустических системах высокой верности воспроизведения, так и в профессиональном оборудовании.

Акустический лабиринт, трансмиссионная линия (transmission line)

Конструкция типа «aкустический лабиринт» имеет ещё несколько названий: трансмиссионная линия (transmission line), четверть-волновой резонатор. Такое акустическое оформление работает как резонатор нижних частот.

Внутри корпуса такой конструкции расположен звуковой канал, длина которого равна одной четверти от длины волны нижней границы воспроизводитмого частотного диапазона. Например, для частоты 30 Гц длина канала должна составлять 11 м / 4 = 2,8 м.

В отличие от фазоинвертора, расчёт и настройка четверть-волнового резонатора требует гораздо больших усилий.

Рупор (horn)

Обычный лист картона, свёрнутый в трубу и приложенный ко рту говорящего, входя в резонанс с некоторыми гармониками голоса, увеличивает площадь излучения. Поэтому голос говорящего усиливается в диапазоне резонансной частоты и ближайших гармоник, обретая искажённую окраску тембра.

Но можно использовать рупор не только как резонатор определённых частот, но и как акустический трансформатор. Основная идея заключается в следующем. Вместо того, чтобы увеличивать площадь излучателя, можно увеличить объем возбуждаемого воздуха за счёт применения звукового канала особой формы. При этом в отличие от корпуса музыкального инструмента, корпус рупора не должен «играть», резонируя вместе с полезным сигналом. Задача звукового канала рупора состоит только в том, чтобы работать, как акустический трансформатор, преобразующий колебания малых объёмов воздуха с высоким давлением и малой амплитудой в колебания больших объёмов воздуха с большой амплитудой.

Теоретические исследования и практические опыты показали, что наиболее эффективная форма звукового канала рупора — это труба круглого сечения, площадь которой увеличивается от «горла» (входа в звуковой канал, к которому подключается излучатель) до «устья» (выхода из канала, направленного на слушателя) либо по экспоненциальной, либо по показательной, либо по гиперболической зависимости. Узкое «горло» рупора создаёт для динамической головки условие работы в среде с повышенным акустическим сопротивлением. Это значит, что для возбуждения колебаний в «горле» затрачивается больше электрической мощности, чем при работе излучателя без рупора. То есть в «горле» возбуждаются колебания повышенного давления, которые распространяясь по звуковому каналу, формируют на выходе из рупора широкий звуковой фронт, но уже низкого давления.

И вот здесь кроется важный факт, связанный с конструктивными особенностями работы электродинамических головок. Дело в том, что подвижная часть (подвес диффузора и центрирующая шайба) имеет заметные ограничения по длине собственного хода. Причём работа динамической головки на предельной амплитуде колебаний сопряжена с заметными искажениями воспроизводимого сигнала. Поэтому динамической головке комфортнее работать на более высокой акустической нагрузке, но с меньшей амплитудой колебаний своей подвижной системы.

Именно поэтому в «горле» многих рупоров встречаются так называемые компрессионные камеры, представляющие собой резкое сужение сечения звукового канала. Таким образом, благодаря компрессионным камерам, динамическая головка нагружается ещё сильнее, и коэффициент трансформации рупора увеличивается.

Передний рупор

В большинстве типов коаксиальных динамических головок Tannoy ВЧ-излучатель имеет звуковой канал, выполняющий роль небольшого ВЧ-рупора. Более того, сопряжённая форма НЧ-диффузора также выполняет роль продолжения рупора для ВЧ-излучателя. Так что можно считать, что большинство акустических систем Tannoy на базе коаксиальных излучателей уже имеет рупор в своей конструкции. По крайней мере, в конструкции самой коаксиальной динамической головки.

Тем не менее, несколько типов акустических систем Tannoy имеют рупорное акустическое оформление в виде конструктивного элемента корпуса.

Как уже было сказано выше, «горло» рупора, по сути, уже размещено внутри коаксиальной динамической головки Tannoy. Поэтому в корпусах акустических систем Tannoy рупор представлен только в виде его оконечной части, то есть в виде «устья» (чего нельзя сказать про задний рупор Tannoy, см. далее).

Задний рупор

Развивая идею полезного использования энергии обратной поверхности диффузора, конструкторы предложили вместо акустического фильтра фазоинвертора применить акустический трансформатор в виде заднего рупора. Для экономии пространства были разработаны конструкции со свёрнутым рупором, звуковой канал которого укладывается в сложенном виде, по аналогии с акустическим лабиринтом четверть-волнового резонатора.

Стоит отметить, что некоторые модели акустических систем Tannoy выполнены в корпусах, обладающих одновременно и передним рупором (в виде его устья) и задним свёрнутым рупором (например, модель Tannoy Westminster).

Проектирование и изготовление акустическое оформления с обратным рупором является сложным и дорогостоящим мероприятием. Но тем не менее, многие энтузиасты пробуют свои силы в изготовлении копий конструкций некоторых акустических систем Tannoy с обратным рупором.

Полезные материалы

«Horn Loudspeaker Design» — Wireless World, Mar 1974, pp. 19-24.
Статья в русском переводе «Проектирование рупорных громкоговорителей» — Журнал «Мастер 12 Вольт», Декабрь/Январь 2005.
Электронная копия статьи

Акустический фильтр (band pass)

Тип оформления «акустический фильтр» (band pass) предназначен для воспроизведения определённой полосы акустического спектра. Такое оформление имеет наибольшее распространение среди сабвуферов, воспроизводящих нижний регистр НЧ-диапазона.

Если фазоинвертор складывал энергию внешней части диффузора с отфильтрованной НЧ-составляющей энергией задней части диффузора, направленной внутрь корпуса, то данный тип конструкции оставляет только НЧ-составляющую воспроизводимого сигнала. То есть СЧ и ВЧ-составляющие заглушаются внутри корпуса акустической системы, и наружу направляется только отфильтрованная НЧ-полоса.

По аналогии с электрическими частотными фильтрами для полосовых громкоговорителей так же можно рассчитать конструкции разных порядков фильтрации, то есть с разной крутизной спада воспроизводимого сигнала на границе частотного диапазона.

Расшифровки сокращений

АС — акустическая система
ВЧ — высокочастотный, верхняя часть спектра акустического сигнала
НЧ — нижнечастотный, нижняя часть спектра акустического сигнала
СЧ — среднечастотный, средняя часть спектра акустического сигнала