Повышение качества звучания СЧ громкоговорителей

Принято считать, что качество звучания громкоговорителя почти целиком определяется его АЧХ по звуковому давлению, ее неравномерностью в диапазоне воспроизводимых частот и коэффициентом гармоник. Однако субъективная (экспертами) оценка звучания не только любительской, но и промышленной звуковоспроизводящей аппаратуры показывает, что далеко не всегда громкоговорители с хорошими параметрами звучат одинаково хорошо.

Тщательное исследование работы динамиков позволило предположить, что одной из причин такого явления может быть различие в характеристиках переходных процессов входящих в громкоговорители СЧ головок.

Эквивалентная схема головки

Для анализа переходных процессов в области поршневого действия головки (низкочастотный диапазон воспроизводимых частот) удобно воспользоваться ее эквивалентной схемой, показанной на рис. 1а. Здесь R_e и L_e — соответственно сопротивление и индуктивность звуковой катушки головки, С = m и L = с — электрические эквиваленты соответственно массы m и гибкости подвеса с се подвижной системы, а R_e — электрический эквивалент потерь на излучение и на трение узла подвеса. Численные значения эквивалентов пересчитаны к электрическому входу головки.

В области поршневого действия головки влиянием индуктивности L_k на ее частотную и временную характеристики можно пренебречь. В результате эквивалентная схема головки приобретает вид, показанный на рис. 1б.

Известно, что добротность контура из параллельно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора равна отношению проводимостей реактивной (индуктивной или емкостной) и резистивной ветвей. Добротность контура, изображенного на рис. 1б,

Здесь G_а,=1/R_a, — проводимость резистивной ветви, ω_s, = √(mC) — резонансная круговая частота подвижной системы головки. Найденная таким способом добротность (Q_a), называется акустической добротностью головки, поскольку она учитывает потери только в механической колебательной системе (R_а).

Ёсли же показанную на рис. 1б цепь подключить к генератору с нулевым выходным сопротивлением, то рассматриваемый LC-контур окажется зашунтированным сопротивлением R_e. В этом случае его добротность определяется формулой Q_e=ω_smRe и называется электрической добротностью головки (при ее определении не учитывается влияние R_a).

Добротность, определяемая с учетом влияния сопротивлений R_a и R_e называется эквивалентной добротностью головки Q_t. При нулевом внутреннем сопротивлении источника входного напряжения она равна:

Q_t= Q_a*Q_e/(Q_a+Q_e)

А поскольку для всех без исключения головок Q_a>>Q_e величина Q_t, лишь незначительно отличается от Q_e.

При переходе от характеристик электрического эквивалента головки к ее акустическим характеристикам необходимо иметь в виду, что напряжение на параллельном контуре, состоящем из элементов m, C и R_a (рис. 1б), является электрическим аналогом колебательной скорости подвижной системы. Таким образом, чем больше величина R_e, а следовательно, и Q_t, при заданном значении R_a, тем больше неравномерность зависимости напряжения на контуре от частоты, что соответствует большей неравномерности звукового давления, развиваемого головкой в области поршневого действия.

Резонансные частоты низкочастотных головок лежат внутри воспроизводимых ими диапазонов частот, поэтому при выборе этих головок особое внимание обращают на численное значение эквивалентной добротности головки Q_t и если оно превышает требуемое, принимают меры к его уменьшению и улучшению частотной характеристики.

Иная ситуация складывается при выборе среднечастотных (СЧ) головок. Их резонансные частоты лежат, как правило, ниже диапазона воспроизводимых ими частот. В результате, если традиционным методом (плавно изменяя частоту генератора) снимать АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению, неравномерность характеристики СЧ головки вблизи ее резонансной частоты практически не обнаруживается в результирующей характеристике громкоговорителя, поскольку напряжение резонансной частоты, поступающее на эту головку, в значительной степени будет ослаблено полосовым фильтром.

Между тем реальный режим СЧ головок существенно отличается от рассмотренного выше. Напряжение вещательного сигнала на выходе полосового фильтра громкоговорителя можно рассматривать как гармоническое (синусоидальное), амплитуда и частота которого непрерывно и, в общем случае, достаточно резко изменяются во времени. По этой причине головка постоянно работает в переходном (динамическом) режиме, а не в установившемся режиме синусоидальных колебаний, который имеет место при снятии АЧХ по звуковому давлению.

Динамический режим работы СЧ головок

Для количественной оценки переходного процесса снова обратимся к эквивалентной схеме головки (рис. 1б) и предположим, что поданное на вход устройства напряжение имеет синусоидальную форму. Частота синусоидального напряжения f₁ лежит в полосе пропускания фильтра СЧ головок и превышает резонансную частоту головки f_s.

Расчет показывает, что при этих условиях напряжение на параллельном колебательном контуре (электрический аналог колебательной скорости подвижной системы) состоит из двух составляющих. Первая составляющая представляет собой синусоидальное напряжение частотой f₁ и амплитудой, вычисляемой с помощью методов расчета установившегося режима синусоидальных колебаний^[1]. Эго так называемая вынужденная составляющая, поскольку ее частота совпадает с частотой приложенного к головке напряжения.

Вторая составляющая получила название свободной составляющей переходного процесса, поскольку закон ее изменения во времени определяется исключительно значениями параметров эквивалентной схемы головки и не зависит от частоты приложенного к ней напряжения. При эквивалентной добротности головки Q_t>0,5 свободная составляющая представляет собой синусоиду с убывающей во времени амплитудой. Круговая частота этой синусоиды ω_s называется частотой свободных колебаний и определяется формулой:

Эта частота всегда меньше резонансной частоты головки в, и приближается к ней по мере увеличения добротности. Уже при Q_t =1,5 различие в численных значениях обеих частот не превышает 6%.

Амплитуда свободных колебаний убывает во времени по закону:

е^-πt/Q_tT_s,

где Т_s,=1/f_s — период резонансной частоты головки, e — основание натуральных логарифмов.

Начальное (при t=0) значение амплитуды свободных колебаний зависит от начальной фазы поданного на головку входного напряжения и от параметров контура. В принципе, оно может достигать амплитудного значения вынужденной составляющей.

Призвук и вычисление его продолжительности

Свободная составляющая колебаний подвижной системы головки (или группы головок) порождает так называемый призвук, достаточно хорошо заметный на слух у плохо сконструированных громкоговорителей и ухудшающий качество их звучания. Поскольку возникновение свободной составляющей явление принципиально неустранимое и постоянно сопровождает переходный процесс в любой инерционной системе, единственным возможным способом борьбы с призвуком нужно признать уменьшение его продолжительности. Избавиться от призвука с помощью полосового фильтра невозможно, так как из-за импульсного характера вещательного сигнала в его составе всегда будут присутствовать спектральные составляющие, возбуждающие колебательную систему головки на частоте ее резонанса.

За продолжительность переходного процесса часто принимают временной интервал Δt=t_R, в течение которого амплитуда свободной составляющей колебания уменьшается в 20 раз, т. е. становится равной 0,05 своего первоначального (при t=0) значения. Приняв во внимание, что 0.05=е^-3, руководствуясь законом изменения амплитуды свободных колебаний во времени, получаем следующую формулу для определения продолжительности переходного процесса и призвука:

откуда t_п = Т_sQ_t.

Для примера найдем продолжительность призвука головки ЗГД-42 с резонансной частотой f_s =94 Гц и добротностью Q_t =0,7. Период резонансной частоты такой головки T_s = 1/f_s,= 1/94 = 0,0106 = 10,6 мс. Продолжительность призвука t_п = Т_sQ_t =10,6 * 0,7 =7.42 мс.

Справочная литература, например [2], рекомендует следующие максимально допустимые значения длительности призвука: 5 мс — для НЧ головок и 0.2 мс — для СЧ головок.

Влияние полосового фильтра

Выше отмечалось, что эквивалентная добротность Q_t головки соответствует работе ее от источника с нулевым внутренним сопротивлением, т. е. в режиме короткого замыкания.

Однако из-за влияния полосового фильтра работа СЧ головок на резонансной частоте заметно отличается от режима короткого замыкания. Рассмотрим, например, работу головки с фильтром второго порядка (рис. 2а).

Сопротивление колебательного контура L1C1 невелико только в полосе пропускания фильтра, а за её пределами по мере уменьшения частоты настолько возрастает, что вблизи резонансной частоты головка начинает работать в режиме холостого хода. Соответственно увеличивается. приближаясь к акустической, эквивалентная добротность, а следовательно, продолжительность призвука.

Аналогичная картина наблюдается и при использовании полосового фильтра шестого порядка (рис. 2в), но на этот раз из-за влияния контура L3C3.

Несколько лучшее демпфирование головок СЧ обеспечивает полосовой фильтр четвертого порядка (рис. 2б). В этом случае вблизи резонансной частоты головка оказывается зашунтированной катушкой индуктивности L2, сопротивление которой по мере уменьшения частоты убывает.

Измерение акустической добротности головки

Для экспериментального определения акустической добротности головки достаточно найти несколько характерных точек на кривой зависимости модуля комплексного сопротивления головки от частоты (рис. 3), которые позволяют судить об электрическом сопротивлении звуковой катушки R_e (см. рис. 1б), электрическом сопротивлении головки на резонансной частоте: Z_p=R_e+R_a резонансной частоте f_s, и о частотах f₁ и f₂, на которых сопротивление головки численно равно √(Z_pR_e)

С этой целью к головке В1 (рис. 4) подключают звуковой генератор G1 с выходным сопротивлением R_r =50 Ом, ламповый вольтметр с достаточно большим (не менее 30 кОм) входным сопротивлением и резистор R1 сопротивлением 1–2 кОм.

При измерениях головку подвешивают па достаточном удалении от отражающих поверхностей (стен, пола) или кладут диффузором вверх на стоящий в середине комнаты табурет. Напряжение генератора U_г, устанавливают равным 1 В (при изменении частоты оно должно оставаться постоянным) и, медленно перестраивая его вблизи ожидаемой резонансной частоты f_s, по максимуму отклонения стрелки вольтметра находят значение частоты f_s и напряжение U_в = U_р.

Затем, увеличивая частоту генератора, по минимуму показаний вольтметра находят частоту f_min и соответствующее ей значение напряжения: U_в = U_min.

После этого. вычислив вспомогательное значение напряжения U₁ = √(U_pU_min), находят частоты f₁ и f₂ (первая — ниже, а вторая — выше резонансной частоты f_s), при котором показание вольтметра становится равным U₁ и определяют акустическую добротность Q_a:

Q_a = √(U_p/U_min) *f_s/(f₂-f₁)

В этой формуле множитель √(U_p/U_min) учитывает два фактора: влияние на зависимость Z(f) сопротивления головки R_e и отсчет частот f₁ и f₂ не по уровню 0,707, а по уровню U₁ = √(U_p/U_min). Использование такого «нестандартного» уровня отсчета повышает точность рассмотренного здесь метода при измерениях низкодобротных резонансных систем.

Результаты измерений акустической добротности ряда головок громкоговорителей приведены в таблице. Головки 15ГД-ПА и 6ГД-6 являются среднечастотными, а все остальные (из числа включенных в таблицу) могут быть использованы в качестве среднечастотных. Можно видеть, что минимальное значение акустической добротности равно 4, а максимальное достигает 19.

Акустическая головка	Добротность, Qa
0.5ГД-37	5,9
1ГД-40	12,3
1ГД-39	10
1ГД-50	10,8
2ГД-40	11,5
3ГД-42	8,5
6ГД-6	6,3
10ГД-30Е	6,1
10ГД-34	3,9
15ГД-11 А	11,8

Таким образом, ни одна из приведенных в таблице головок — при включении ее через полосовой фильтр СЧ — не может обеспечить неискаженного воспроизведения, если не принять специальных мер по уменьшению акустической добротности.

Методы демпфирования головок

Для любительских условий можно рекомендовать следующие методы демпфирования.

1. Шунтирование СЧ головки высокодобротным последовательным колебательным контуром, настроенным на резонансную частоту головки, установленной в громкоговорителе. Такой контур на резонансной частоте играет роль перемычки, замыкающей выводы головки накоротко. В рабочей же полосе частот его сопротивление увеличивается настолько, что с шунтирующим действием можно не считаться. Демпфирование с помощью контура дает эффект лишь при использовании высокоэффективной СЧ головки с малым значением добротности Q_e. Иными словами, только при R_e<<R_a, короткое замыкание выводов головки настроенным на ее резонансную частоту последовательным контуром приведет к заметному уменьшению эквивалентной добротности Q_t, по сравнению с Q_a.

2. Акустическое демпфирование головки с помощью панели акустического сопротивления (ПАС) (см. статью Н. Молодой, В. Шорова и И. Храбан «Акустическое демпфирование громкоговорителей» в «Радио» 1969, № 4. с. 27, 28). Это техническое решение, защищенное авторским свидетельством СССР № 577699, позволяет снизить акустическую добротность Q_a головки громкоговорителя в несколько раз н сделать ее соизмеримой и даже меньшей электрической добротности Q_e.

Демпфирование головок звукопоглощающим материалом (например, ватой) менее эффективно и способствует повышению их резонансной частоты.

Конструкция ПАС

С целью повышения эффективности действия пассивного акустического сопротивления (далее ПАС) на подвижную систему работающей в акустическом оформлении головки демпфирующую ткань следует располагать как можно ближе к диффузору. Наиболее рационально устроить ПАС в отверстиях диффузородержателя, однако такая ее реализация под силу лишь производственному предприятию.

В радиолюбительских условиях проще выполнить ПАС в виде отдельного устройства, и надеваемого на головку громкоговорителя со стороны магнита (рис. 5а).

Оно состоит из цилиндрической обечайки 4, в которую со стороны, противоположной головке 1, плотно вставлена собственно ПАС — два соединенных шурупами фанерных диска 3 с соосными отверстиями. Между дисками натянута демпфирующая льняная или хлопчатобумажная простиранная ткань 2. На рис. 5б приведен эскиз ПАС для головок 15ГД-ПА, 6ГД-6 и 10ГД-34. Диаметр обечайки ПАС для них выбирают больше диаметра посадочного отверстия в передней панели, поскольку окна в диффузородержателях этих головок ориентированы перпендикулярно их оси. Суммарная площадь отверстий ПАС должна составлять 0,3–0,4 от эффективной площади диффузора — в рассматриваемом случае 22–28 см². В центре ПАС имеется отверстие для постоянного магнита головки, через него же пропущены и выводы от ее звуковой катушки. Высота обечайки должна быть минимальной — это необходимо для приближения демпфирующей ткани к диффузору и предотвращения нежелательных резонансов.

Рекомендуется следующий порядок изготовления ПАС. Вначале из кровельного железа или другого подходящего листового материала изготовляют обечайку, а затем из фанеры толщиной 6–8 мм вырезают два диска диаметром, равным ее внутреннему диаметру. Скрепив диски с помощью небольших шурупов, размечают необходимые отверстия и сверлят их сразу в обоих дисках.

После этого, пометив взаимное положение, диски разъединяют и, поместив между ними демпфирующую ткань, снова скрепляют шурупами.

При проведении этой операции необходимо следить за тем, чтобы ткань была туго натянута.

Когда будут ввернуты все шурупы, ткань с краев диска и в центральном отверстии обрезают острым ножом заподлицо, готовую ПАС вставляют внутрь обечайки вровень с одним из ее торцов, а стыки тщательно промазывают пластилином. Обечайку с ПАС надевают на головку громкоговорителя и точно таким же способом герметизируют стыки ее с головкой н панелью.

Никаких дополнительных элементов крепления не требуется.

Для защиты от воздействия низкочастотных составляющих сигнала СЧ головку необходимо прикрыть (с тыльной стороны) герметизирующим боксом, объем которого должен в 3,5–4 раза превышать объем обечайки с ПАС. В этом случае эффективность работы ПАС не нарушится.

При доработке промышленной аппаратуры можно воспользоваться уже имеющимися в громкоговорителях боксами. Так, для установленной в громкоговорителе радиолы «Симфония» среднечастотной головки ЗГД-1 вполне подойдет заводской герметизирующий бокс. Следует только удалить из него вату и перфорированную картонку, которой прикрыта головка ЗГД-1. При изготовлении ПАС для головки 15ГД-11А громкоговорителя 35АС-1 следует иметь в виду, что используемый в нем герметизирующий бокс имеет вытянутую форму, поэтому обечайка с ПАС должна иметь форму не круглого, а эллиптического цилиндра. Отверстия для ПАС должны быть просверлены по большой оси эллиптического диска.

При переделке громкоговорителя 35АС-213 (S-90) в качестве обечайки ПАС среднечастотной головки можно использовать имеющийся в нем заглушающий бокс. Для этого его следует обрезать ножовкой на высоте 85 мм от открытого края, а в образовавшееся круглое отверстие вставить подогнанную по размерам ПАС. ПАС должна находиться на расстоянии 15–20 мм от постоянного магнита головки. Головку же следует прикрыть новым герметизирующим боксом, который придется изготовить самостоятельно. Внутренний объем боксов во всех случаях должен быть заполнен ватой.

После установки герметизирующего бокса необходимо проверить эффективность демпфирования головки. С этой целью ее подключают к звуковому генератору (рис. 4) и, пользуясь изложенной выше методикой, вычисляют акустическую добротность Q_a. Учитывая режим работы среднечастотной головки, эквивалентная добротность для большинства современных головок будет равна Q_a. Демпфирующее действие ПАС для головок ЗГД-1 и 15ГД-11А иллюстрируется соответственно кривыми, показанными на
рис. 6 и 7.

Затем полезно сравнить звучание доработанного громкоговорителя с недемпфированным образцом. Для сравнительного прослушивания следует отобрать грампластинки с записями симфонического оркестра, хора, фортепьяно — на таких фрагментах наиболее заметно действие демпфирования среднечастотной головки.

Выше было показано, что интермодуляционные искажения, обусловленные большой добротностью подвижной системы головки громкоговорителя на частоте основного резонанса Q_t, всегда будут присутствовать в воспроизводимом сигнале, если значение этого параметра превышает 0.5. Такие искажения особенно заметны на слух на средних частотах. Они придают звучанию металлический оттенок, лишают его прозрачности. Поэтому демпфирование необходимо, в первую очередь, для среднечастотных головок.

В случае использования одной широкополосной головки следует иметь в виду, что демпфирование такой головки, работающей в закрытом ящике, приводит к спаду АЧХ на низких частотах, как минимум, на 6 дБ на частоте основного резонанса головки в оформлении.

г. Москва

Литература

1. Атабеков Г. И. «Линейные электрические цепи», М.: «Энергия», 1966 г.
2. Справочник по технической акустике, Под ред. М. Хеклаи Х. А. Мюллера., Л., Судостроение, 1980 г.

• Доработка динамиков
• Коррекция ачх
• улучшение динамиков