4. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

В области низких частот звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя определяется выражением [117]

где А—частотно-независимый множитель.

 

 

Модуль этого выражения

                                            (10.14)

Для громкоговорителя без акустического оформления после подстановки в выражение (10.14) значения r_R из формулы (10.6) получим

                                                                 (10.15)

Из анализа выражения (10.15) видно, что критическим является значение добротности Q = 1,93 [47]. Если Q > 1,93, то частотная характеристика приобретает специфическую форму: с повышением частоты звуковое давление достигает максимума (на частоте ω₁), затем — минимума (на частоте ω₂), а далее наблюдается подъем (рис. 149, а). При этом

Если Q < 1,93, характеристика монотонно возрастает. Определим неравномерность частотной характеристики громкоговорителя, работающего без оформления для Q ≤: 1,93 и Q > 1,93. Для Q ≤ 1,93 неравномерность можно определить как отношение давлений на частотах ω и ω₀:

где n = ω/ω₀

Для n ≥ 8 ρ_ω/ρ_ω0 ≈ n/Q. Для критической добротности ρ_ω/ρ_ω0 ≈ n/1,93. Для Q > 1,93 неравномерность частотной характеристики определяется отношением давлений на частотах ω и ω ₂. В этом случае для n ≥ 8, ρ_ω/ρ_ω0 ≈ 2,5. Таким образом, для уменьшения неравномерности частотной характеристики следует увеличивать добротность громкоговорителя, но при этом увеличиваются искажения за счет переходных процессов и уменьшается чувствительность громкоговорителя. Лишь при добротности, меньшей или равной 0,5, можно получить апериодический режим работы громкоговорителя.

При работе громкоговорителя в экране, имеющем конечные размеры, действие последнего на частотную характеристику громкоговорителя сказывается следующим образом [47]: до частоты, где длина волны сравнима с линейными размерами экрана, частотная характеристика, не изменяясь по форме, равномерно поднимается на 20 lg  дБ (D — диаметр экрана или диаметр равновеликого по площади данному экрану; d — диаметр головки громкоговорителя). Этот факт хорошо подтверждается экспериментами для круглых и квадратных экранов. Для прямоугольных экранов между вычисленными и измеренными результатами расхождение тем больше, чем больше экран становится вытянутым. Действие открытого ящика эквивалентно действию экрана с площадью, равной площади передней стенки ящика. Глубина ящика существенно не влияет на форму и неравномерность частотной характеристики.

Рассмотрим частотную характеристику громкоговорителя в закрытом ящике. Для этого в выражение (10.14) вместо r_R подставим его значение, определенное по формуле (10.5). После несложных преобразований получим

                                                                          (10.16)

где А" — частотно-независимый множитель.

Частотная характеристика громкоговорителя в области низких частот, рассчитанная по формуле (10.16), показана на рис. 149, б. Форма характеристики зависит от добротности: при Q < 1/ давление с ростом частоты монотонно возрастает, а при Q > 1/ на частотной характеристике появляется резонансный пик на частоте ω′₀, причем

Максимальная равномерность частотной характеристики на частотах, выше ω₀, будет при Q = 1,1. В этом случае неравномерность за счет пика на частоте ω′₀ = 1,3ω₀ не превосходит 2 дБ. Однако при такой добротности наблюдаются большие искажения за счет переходных процессов. Для уменьшения искажений необходимо выбирать Q ≈ 0,5, хотя при этом завал характеристики на резонансной частоте достигает 6 дБ. Следует отметить, что громкоговоритель в открытом ящике при такой же добротности головки имеет большую неравномерность характеристики, но нижняя граничная частота у громкоговорителя в закрытом ящике выше (см. формулу (10.7)), чем в открытом ящике.

 

 

Для улучшения частотной характеристики в области низких частот широко применяют фазоинверторы. Фазоинвертор представляет собой ящик с двумя отверстиями (рис. 150, а), из которых одно предназначается для крепления головки громкоговорителя, а другое (инверсное) – для выхода излучения с тыльной стороны головки.

Отверстие и объем ящика представляют собой резонатор с собственной частотой

где С_в — гибкость воздушного объема ящика; т_в — масса воздуха в инверсном отверстии с учетом соколеблющейся массы воздуха окружающей среды.

Размеры фазоинвертора выбирают таким образом, чтобы частота механического

 

 

резонанса головки громкоговорителя и собственная частота фазоинвертора были равны друг другу. В этом случае давление, создаваемое инверсионным отверстием, на частотах выше 1,4f₀ совпадает по фазе с давлением, развиваемым головкой громкоговорителя. На рис. 150 показан фазовый сдвиг между давлениями головки и инверсионного отверстия в зависимости от частоты.

Применение фазоинвертора имеет следующие преимущества по сравнению с громкоговорителем с закрытым ящиком: давление в области низких частот повышается примерно на 6 дБ; за счет возрастания механического сопротивления вблизи частоты механического резонанса головки снижается амплитуда колебания конуса на этих частотах, что приводит к уменьшению уровня нелинейных искажений; частотная характеристика входного сопротивления громкоговорителя в области низких частот становится более равномерной.

Частотная характеристика ׀Z ׀ показана на рис. 151 (штриховыми ли­ниями показана характеристика ׀Z ׀для закрытого ящика). Специфическая форма частотной характеристики ׀Z׀ фазоинвертора (характеристика двугорбая, горбы расположены симметрично относительно частоты f₀) часто используется для настройки фазоинвертора.

Внутренняя поверхность ящика фазоинвертора, а также закрытого ящика, как правило, обрабатывается звукопоглощающим материалом (ЗМ), часто минеральной ватой, для подавления резонансов воздушного объема ящика на средних и высоких частотах.

В области высоких частот частотная характеристика громкоговорителя практически не зависит от акустического оформления и определяется диффузором головки на этих частотах. Начиная с частот 500—1000 Гц, диффузор даже приближенно нельзя рассматривать как поршень; на средних и высоких частотах в нем возбуждаются поперечные колебания. Распространяясь вдоль диффузора, эти колебания разбивают его поверхность на зоны, колеблющиеся в противофазе. Излучение с каждой зоны определяется амплитудой колебаний зоны и ее сопротивлением излучения, которое, в свою очередь, зависит от размеров зоны и частоты. Очевидно, что давления, создаваемые противофазно колеблющимися зонами, компенсируют друг друга.

С изменением частоты местоположение зон, их размеры и амплитуды колебаний меняются, вследствие этого изменяется и сопротивление излучения. На частотной характеристике громкоговорителя в области средних и высоких частот появляются резкие пики и провалы, нерегулярно расположенные по частоте. В этой области частот функция

 

 

излучения переходит к той поверхности диффузора, которая непосредственно прилегает к месту крепления звуковой катушки. С ростом частоты площадь этой поверхности сокращается, что и приводит к значительному завалу характеристики на высоких частотах.

Для расширения полосы воспроизводимых частот часто маломощные громкоговорители изготавливают с двумя конусами (рис. 152). Внутренний конус имеет повышенную жесткость из-за меньшего угла раскрыва. На низких частотах он не оказывает влияния на работу громкоговорителя. На высоких частотах благодаря дополнительному конусу увеличивается площадь эффективно излучающей поверхности и тем самым расширяется диапазон воспроизводимых частот.