Исследование портативных акустических излучателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1. Анализ задания. Формулировка цели и задач работы

1.2 Обзор портативных акустических излучателей

1.3 Головки громкоговорителей, используемые в портативных акустических излучателях, их параметры и характеристики

1.4 Особенности использования корпусов для портативных акустических излучателей

1.5 Особенности использования контрапертурного принципа построения портативных акустических излучателей

1.6 Обзор методик измерения параметров головок громкоговорителей, исследование характеристик акустических излучателей

2. Практическая часть

2.1 Моделирование конструкции портативного акустического излучателя

2.2 Разработка макета портативного акустического излучателя

2.3 Исследование характеристик и режимов работы акустического излучателя

2.4 Разработка общих рекомендаций к использованию результатов

Общие выводы

Перечень ссылок

1. Теоретическая часть

1.1 Анализ задания. Формулировка цели и задач работы

В исходных данных для работы используется следующее программное обеспечение:

- операционная система семейства Microsoft Windows;

- офисный пакет Microsoft Officе.

Операционная система семейства Microsoft Windows широко используется в компьютерах по всему миру.

Офисный пакет Microsoft Office является наиболее популярным среди доступных аналогов с открытым исходным кодом.

Целью данной работы является исследование акустического излучателя (АИ), его параметров и характеристик. Принцип работы малогабаритных акустических излучателей заключается в применении контрапертурного преобразования, а точнее полуапертурного преобразования, реализованного в виде малогабаритной пластинки, расположенной напротив излучателя.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить обзор портативных акустических излучателей;

- выполнить анализ головок громкоговорителей, которые используются в портативных акустических излучателях;

- определить особенности использования корпусов для портативных акустических излучателей;

- определить особенности использования контрапертурного принципа построения портативных акустических излучателей;

- выполнить обзор методик измерений параметров головок громкоговорителей, исследование характеристик акустических излучателей;

- выполнить описание методики измерения АЧХ акустического излучателя методом качающегося микрофона;

- выполнить моделирование конструкции портативного акустического излучателя;

- разработать макет портативного акустического излучателя;

- провести исследование характеристик и режимов работы акустического излучателя;

- на основании полученных результатов исследований дать рекомендации по практическому использованию результата.

Обзор портативных акустических излучателей даст условие для дальнейших исследований в области конструирования, дизайна и качественного воспроизведения звуковых волн.

Для правильного использования излучателей необходимы знания в области головок громкоговорителей, их параметров и характеристик.

Корпус малогабаритной головки громкоговорителя не определяет качественные параметры этого излучателя в звуковом диапазоне, а служит для дизайнерского инновационного решения излучателя.

В качестве элемента корпуса портативного акустического излучателя применяется пластина, определяющая контрапертурный принцип преобразования звуковых колебаний.

Методики измерения параметров головок громкоговорителей и излучателей достаточно хорошо известны, но применить их сложно к портативным акустическим излучателям, так как требование «свободного поля» или «звукозаглушённой камеры» нереализуемо, поэтому в данной работе будем использовать метод качающегося микрофона.

Использование результатов после проведения моделирования и экспериментальных исследований даст возможность разработать рекомендации к практическому применению.

1.2 Обзор портативных акустических излучателей

Портативный акустический преобразователь MyVibe SH2 является качественным представителем своего семейства. Имеет перезаряжаемый аккумулятор, способный обеспечить 10 часов работы устройства при максимальной громкости звуковых колебаний. Внешний вид колонки представлен на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Колонки MyVibe SH2

Благодаря наличию двух парных экземпляров портативного акустического преобразователя MyVibe SH2 является возможным создание стереозвука.

Портативный акустический преобразователь MyVibe SH2 имеет суммарную мощность, равную 6 Вт, что является достаточным для приемлемого качества звука.

Портативный акустический преобразователь имеет встроенный регулятор звуковых частот, способный задавать значение в радиусе от 280 Гц до 16000 Гц. Имеет поддержку технологии беспроводной передачи данных с цифровых устройств записи, хранения и воспроизведения звуковых данных, благодаря чему может использоваться в помещениях, удалённых от присоединённого цифрового устройства воспроизведения. Недостаток данной технологии заключается в возможности затруднения приёма и передачи при достижении порога удалённости от присоединённого устройства воспроизведения.

Имеется широкополосная головка громкоговорителя, чей диаметр равен 40 мм. Для создания объёмного звука в конструкции используется элемент рассеивателя.

Портативный акустический преобразователь MP3 Орбита DS-10 является качественным представителем своего семейства. Внешний вид колонки представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Колонка MP3 Орбита DS-10

Портативный акустический преобразователь MP3 Орбита DS-10 имеет суммарную мощность, равную 3 Вт, что является достаточным для приемлемого качества звука.

Имеет поддержку USB - технологии проводной передачи данных, с цифровых устройств записи, хранения и воспроизведения звуковых данных, благодаря чему достигнуто превосходное качество приёма звуковых данных с присоединённого цифрового устройства воспроизведения. Недостаток данной технологии заключается в слабой устойчивости соединения с присоединённым устройством воспроизведения.

Портативный акустический преобразователь MP3 Орбита DS-10 имеет габаритные размеры 5,5*5*5 см

Портативный акустический преобразователь MyVibe H2 является качественным представителем своего семейства. Имеет перезаряжаемый аккумулятор, способный обеспечить 8 часов работы устройства при максимальной громкости звуковых колебаний. Внешний вид колонки представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Колонки MyVibe H2

Благодаря наличию двух парных экземпляров портативного акустического преобразователя MyVibe H2 является возможным создание стереозвука.

Портативный акустический преобразователь MyVibe H2 имеет суммарную мощность, равную 1,7 Вт, что является достаточным для приемлемого качества звука.

Портативный акустический преобразователь имеет встроенный регулятор звуковых частот, способный задавать значение в радиусе от 280 Гц до 16000 Гц. Имеет поддержку технологии беспроводной передачи данных с цифровых устройств записи, хранения и воспроизведения звуковых данных, благодаря чему может использоваться в помещениях, удалённых от присоединённого цифрового устройства воспроизведения. Недостаток данной технологии заключается в возможности затруднения приёма и передачи при достижении порога удалённости от присоединённого устройства воспроизведения.

Имеется широкополосная головка громкоговорителя, чей диаметр равен 36 мм. Для создания объёмного звука в конструкции используется элемент рассеивателя.

Основные характеристики:

- габариты: (Диаметр) 55 мм х (В) 36,5 мм (В собранном положении);

- вес: 56 грамм;

- АЧХ: 180 Гц - 16 кГц;

- диаметр динамика: 36 мм;

- выходная мощность: 1,7 Вт;

- отношение сигнал / шум: 80 дБ;

- напряжение питания: 5В ± 0,5В;

- время непрерывного звучания: 8 часов;

- время зарядки: 2,5 часа;

- диапазон рабочих температур: 0°С - 40°С.

Портативный акустический преобразователь MyVibe S2 является качественным представителем своего семейства. Имеет перезаряжаемый аккумулятор, способный обеспечить 8 часов работы устройства при максимальной громкости звуковых колебаний. Внешний вид колонки представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Колонка MyVibe S2

Портативный акустический преобразователь MyVibe S2 имеет суммарную мощность, равную 3 Вт, что является достаточным для приемлемого качества звука.

Портативный акустический преобразователь имеет встроенный регулятор звуковых частот, способный задавать значение в радиусе от 280 Гц до 16000 Гц. Имеет поддержку технологии беспроводной передачи данных с цифровых устройств записи, хранения и воспроизведения звуковых данных, благодаря чему может использоваться в помещениях, удалённых от присоединённого цифрового устройства воспроизведения. Недостаток данной технологии заключается в возможности затруднения приёма и передачи при достижении порога удалённости от присоединённого устройства воспроизведения.

Имеется широкополосная головка громкоговорителя, чей диаметр равен 40 мм. Для создания объёмного звука в конструкции используется элемент рассеивателя.

Основные характеристики:

- габариты: (Д) 68,5 мм x (Ш) 68,5 мм x (В) 42 мм (в собранном положении);

- вес: 96 грамм;

- АЧХ: 180 Гц - 16 кГц;

- диаметр динамика: 40 мм;

- выходная мощность: 3 Вт;

- отношение сигнал / шум: 80 дБ;

- напряжение питания: 5В ± 0,5В;

- время непрерывного звучания: 8 часов;

- время зарядки: 2,5 часа;

- диапазон рабочих температур: 0°С - 40°С.

Портативный акустический преобразователь Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00 является качественным представителем своего семейства. Имеет перезаряжаемый аккумулятор, способный обеспечить 8 часов работы устройства при максимальной громкости звуковых колебаний. Внешний вид колонки представлен на рисунке 1.5

Рисунок 1.5 - Колонка Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00

Портативный акустический преобразователь Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00 имеет суммарную мощность, равную 3 Вт, что является достаточным для приемлемого качества звука.

Имеет поддержку USB - технологии проводной передачи данных, с цифровых устройств записи, хранения и воспроизведения звуковых данных, благодаря чему достигнуто превосходное качество приёма звуковых данных с присоединённого цифрового устройства воспроизведения. Недостаток данной технологии заключается в слабой устойчивости соединения с присоединённым устройством воспроизведения.

Портативный акустический преобразователь Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00 имеет габаритные размеры 8*6.5*6.2 см

Портативный акустический преобразователь Sony SRS-X1 White является качественным представителем своего семейства. Имеет перезаряжаемый аккумулятор, способный обеспечить 12 часов работы устройства при максимальной громкости звуковых колебаний. Внешний вид колонки представлен на рисунке 1.6



Рисунок 1.6 - Колонка Sony SRS-X1 White

Портативный акустический преобразователь Sony SRS-X1 White имеет суммарную мощность, равную 5 Вт, что является достаточным для приемлемого качества звука [1].

Имеет поддержку USB - технологии проводной передачи данных, с цифровых устройств записи, хранения и воспроизведения звуковых данных, благодаря чему достигнуто превосходное качество приёма звуковых данных с присоединённого цифрового устройства воспроизведения. Недостаток данной технологии заключается в слабой устойчивости соединения с присоединённым устройством воспроизведения. Портативный акустический преобразователь Sony SRS-X1 White имеет габаритные размеры 8*7.5*7.5 см.

После выполнения обзора портативных акустических излучателей мы выяснили, что габариты рассматриваемых портативных акустических излучателей не превышают 10 см, каждый рассматриваемый акустический излучатель имеет отражатель, располагающийся напротив динамика, а общий угол рассеивания звуковых колебаний не превышает 40

1.3 Головки громкоговорителей, используемые в портативных акустических излучателей, их параметры и характеристики

Головка громкоговорителя -- пассивный электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования электрической формы сигналов звуковой частоты в акустическую.

Головка электродинамической (ДГ) системы является электроакустическим преобразователем электрического сигнала в продольные колебания воздуха, воспринимаемые как звук. ДГ обычно устроена следующим образом: имеется постоянный магнит (ранее применялись и электромагниты) цилиндрической формы, вокруг которого располагается гильза с катушкой из тонкой лакированной медной проволоки, гильза жёстко закреплена одним концом с бумажным, металлическим (реже вспененный никель), полимерным диффузором, либо с диффузором из кевларовых нитей. Выводы от катушки могут быть закреплены непосредственно на диффузоре. Диффузор обычно имеет коническую форму, но может быть и овальным, и близким к прямоугольной форме. Соответственно, если диффузор, например, овальный, рама имеет также овальную форму. Связка «диффузор - катушка» может перемещаться относительно магнита в небольших пределах, при этом катушка перемещается внутри цилиндрического магнита, не касаясь его, а диффузор несколько изменяет свою форму и положение относительно рамы. Вся эта конструкция закреплена в специальной металлической либо пластиковой раме, именуемой диффузородержателем.

В конструкции более простых и дешёвых громкоговорителей, а также небольших средне- и высокочастотных громкоговорителей может применяться непосредственное крепление диффузора к раме, при этом по краям диффузора, около кромки рамы, часто организуется характерная рельефная полоса. Она служит для увеличения гибкости и подвижности головки относительно рамы. В более дорогих и качественных среднечастотных и в большинстве низкочастотных громкоговорителях применяется подвес (также известный как верхний подвес), изготавливаемый обычно из плотной резины. Подвес представляет собой резиновое кольцо между рамой и диффузором. Он имеет колею по всей длине окружности, это увеличивает его гибкость и уменьшает износ. Края диффузора закреплены на внутреннем крае кольца подвеса, а внешний край подвеса прикреплён к раме. Такая конструкция обеспечивает большой ход головки при воспроизведении сильных импульсных колебаний и при воспроизведении низких частот.

Ход диффузора и головки может, в случае большой громкости и подходящей конструкции головки громкоговорителя нескольких миллиметров и более, однако при превышении эксплуатационных параметров напряжения, подаваемого на нее, возможно разрушение динамической системы. Помимо этого, возможно перегорание катушки из тонкой проволоки вследствие чрезмерно высокого протекающего по ней тока. Следует отметить, что регулярное прослушивание музыки на максимальных уровнях громкости отрицательно влияет на здоровье, вызывая психические и нервные расстройства и уменьшение чувствительности слуха.

Диффузор сравнительно жёсткий и сохраняет постоянную форму, однако обращаться с ним следует бережно, не прилагать значительных усилий, так как бумага - не слишком прочный материал, а полимер - смяться или оторваться. В случае повреждения диффузора громкоговоритель обычно сохраняет работоспособность, однако прослушивание уже невозможно.

Мощность головок громкоговорителей (ГГ), как правило, измеряется в ваттах (при этом существует PMPO -- общая мощность, которую потребляет ГГ, и выходящая мощность (КПД ГГ как правило не превышает 1 - 3 %). PMPO обычно составляет сотни ватт (иногда - киловатты для мощных ГГ), а выходная мощность - ватты, реже десятки ватт (для мощных ГГ), очень редко более ста.

При подаче электрического сигнала звуковой частоты, катушка производит вынужденные колебания в поле постоянного магнита под действием силы Ампера, увлекая диффузор и через неё создавая волны разряжения и сжатия в воздухе. Связка «диффузор-катушка» колеблется с такой же частотой, как и частота подаваемого тока. При малой толщине магнитопроводов, образующих зазор, действительно работает только малая часть катушки, приблизительно равная толщине магнитопроводов зазора. Выходящие за пределы зазора части катушки почти не работают, у таких ГГ очень низкий коэффициент полезного действия. Для повышения коэффициента полезного действия необходимо увеличивать толщину магнитопроводов, образующих зазор, при этом пропорционально увеличению зазора уменьшается магнитная индукция в зазоре, но увеличивается относительная рабочая часть катушки, то есть относительная рабочая часть длины провода катушки до некоторой величины, после которой относительная рабочая часть длины провода катушки начинает уменьшаться. При изменении амплитуды электрического сигнала звуковой частоты также изменяется положение диффузора. Так как электрический сигнал звуковой частоты, подаваемый на катушку, имеет частоту в пределах слышимости человеческого уха [2], то и диффузор колеблется относительно постоянного магнита с такой же частотой.

Реальная частота колебаний диффузора большинства ГД и прилегающих слоёв воздуха лежит в пределах примерно 300 - 12000 Гц, причём чем меньше, хуже и проще громкоговоритель, тем уже этот частотный диапазон и тем менее линейна его амплитудно-частотная характеристика. На частотах за пределами этого диапазона излучаемая мощность незначительна. Для воспроизведения наиболее низких частот небольшие по размерам ГД вовсе непригодны. Для портативных АИ низкочастотный диапазон воспроизведения практически отсутствует.

Основными техническими характеристиками динамической головки являются:

- тип динамической головки - полнодиапазонная (широкополосная), низкочастотная, среднечастотная, высокочастотная;

- номинальный диаметр -- как правило, внешний диаметр диффузородержателя (рамы), реже -- диаметр подвеса диффузора либо расстояние между противоположными крепёжными отверстиями;

- мощность -- номинальная, либо пиковая (краткосрочная) подводимая мощность, которую выдерживает головка до своего разрушения. Головка может быть разрушена и гораздо меньшей мощностью, если она нагружается сверх своих механических возможностей на очень низких частотах (например, электронная музыка с большим количеством баса или органная музыка), также разрушение может быть вызвано перегрузкой («клипированием») усилителя мощности;

- импеданс (номинальное сопротивление) -- как правило, динамические головки имеют импеданс 2 Ом, 4 Ом, 8 Ом, 16 Ом;

- амплитудно-частотная характеристика, измеренная, либо заявленная - выходная характеристика в заданном диапазоне частот при входном сигнале постоянной амплитуды на всём заданном диапазоне. Как правило, указывается предел отклонений характеристики (неравномерность АЧХ), например, «±3dB»;

- параметры Тиля -- Смолла -- набор электроакустических параметров, характеризующих головку как колебательную систему;

- чувствительность -- уровень звукового давления, производимый динамической головкой при подаче сигнала мощностью 1 Вт, измеренное на расстоянии 1 метр от головки;

- максимальный уровень звукового давления -- максимальное давление, которое может развить головка без своего повреждения либо без превышения заданного уровня искажений. Зависит во многом от чувствительности головки и её мощности. Данный параметр приводится, как правило, как измеренный на произвольном (по усмотрению производителя) диапазоне частот и типе сигнала.

Головки громкоговорителей, используемые в портативных акустических излучателей имеют диаметры порядка 36 мм, 40 мм, 50 мм, отношение сигнал/шум, равное 80 дБ, а также АЧХ в пределах от 180 Гц до 16 кГц.

Для оценки применимости ГГ в малогабаритных необходима также подводимая мощность, которая изменяется в пределах от 1 до 3 Вт и звуковое давление, которое может обеспечить данная ГГ (от 60 до 80 дБ).

Звуковое давление может оцениваться на разном расстоянии от ГГ, так как она является малогабаритной и не мощной на расстоянии 1 м, как указано в нормативных документах, нецелесообразно его оценивать. Доступнее оценить звуковое давление на расстоянии 10 см, 50 см и только потом на расстоянии 1 м.

1.4 Особенности использования корпусов для портативных акустических излучателей

Закрытое акустическое оформление - наиболее распространенный вид акустических систем. Для более детального представления о работе такой системы, расчета ее основных характеристик пользуются методом электроакустической аналогии. Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыкание». Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их ГГ нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы ГГ в закрытом оформлении и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот.

Как и собственно головку, так и ее оформление можно представить в виде электрической схемы. Схема головки представляет собой последовательно соединенные элементы: сопротивление, индуктивность, емкость.

Использование закрытого корпуса определяется элементом емкости, т.е. объемом всего корпуса.

Увеличение массы подвижной системы понижает чувствительность АС, как это видно из формулы для стандартного звукового давления:

(1.1)

где - плотность воздуха, =1,3 кг/м³;

а - эффективный радиус ГГ;

Q_o1 - добротность ГГ в закрытом акустическом оформлении;

В - индукция в зазоре ГГ;

l - длина проводника звуковой катушки;

m_o - масса движущей системы ГГ;

R_К - активное сопротивление проводника звуковой катушки переменному току;

R_Г - выходное сопротивление электрического источника, к которому подключена ГГ.

АС, в которых упругость движущей системы определяется упругостью воздуха внутри корпуса, называют системами с компрессионной подвеской диффузора. Для таких АС для частот >_о1

(1.2)

(1.3)

где Q_o - добротность собственной ГГ. Отсюда

.(1.4)

Неравномерность частотной характеристики закрытых АС в области низких частот так же, как и открытых, определяется их добротностью. При Q₀₁ меньшей 0,707 частотная характеристика АС равномерно понижается с понижением частоты в область низких частот и неравномерность проявляется как спад на резонансной частоте щ₀₁ по сравнению с высшими частотами. При 0,707< Q₀₁<l,0 частотная характеристика имеет небольшой пик на частоте щ₁; и далее спад на резонансной частоте щ₀₁. Неравномерность частотной характеристики при этом определяется подъемом на пике щ₁ и спадом на резонансной частоте щ _01. При Q₀₁ > 1 неравномерность частотной характеристики определяется только пиком на частоте щ₁ относительно горизонтальной части характеристики. Минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q₀₁ = l и составляет 1,3 дБ.

Принцип действия АС с ФИ заключается в том, что благодаря наличию контура ms (правая ветвь на схеме аналога) звуковое давление в отверстии или выходном отверстии трубы противоположно по фазе звуковому давлению от передней поверхности диффузора ГГ, а сдвинуто на угол, меньший 180°.

Вследствие этого не происходит нейтрализации звуковых давлений от передней и задней поверхности диффузора, как это имело место в открытых системах. Эквивалентная схема АС с ФИ представлена на рисунке



Рисунок 1.7

r_ф - активное акустическое сопротивление в отверстии или трубе;

m_ф - акустическая масса воздуха в отверстии или трубе ФИ;

В - индукция в зазоре ГГ;

l - длина проводника звуковой катушки;

R_K - активное сопротивление проводника звуковой катушки переменному току;

R_Г - выходное сопротивление электрического источника, к которому подключена ГГ;

S_g - площадь диффузора ГГ;

r_o - активное механическое сопротивление ГГ;

S_o - собственная упругость подвеса подвижной системы ГГ;

S_B - упругость объема воздуха в корпусе;

m_o - масса подвижной системы ГГ;

- угловая частота.

В портативных акустических излучателях функция корпуса имеет чисто декоративный характер, не являясь элементом эквивалентной акустической ёмкости, поэтому роль корпуса сводится к несущей конструкции, в которую встраиваются элементы проводной и беспроводной связи и усиления.

1.5 Особенности использования контрапертурного принципа построения портативных акустических излучателей

Попытки улучшить акустические системы предпринимались со времён их возникновения. Новые технологии, инженерные решения, иные концепции создаются довольно давно, но принятые в своё время стандарты Hi-Fi были взяты производителями за основу, так как они полностью соответствуют представлениям о разрешающей способности человеческого слуха (воспроизводимый частотный диапазон и мера нелинейных искажений), и предпринимать какие-либо попытки дальнейшего улучшения - бессмысленно. Но, практическим следствием введения Hi-Fi стандартов, неожиданно оказалось появление категории Hi-End. Производители постоянно пытаются создать акустику, которая звучит «так как надо», пусть и с попранием принятого положения о том, что «человек большего и не услышит». Следует взглянуть на акустику, как науку и её практическое применение, но с иной стороны [3].

Само слово «контрапертура» дословно означает противостоящие излучающие отверстия (от лат. apertura - отверстие). Понятие апертуры часто применяется в оптике, но в нашем случае, лучше понимать термин как «противостоящие источники звукового возбуждения». Такова архитектура АС, построенных по контрапертурному принципу. Две идентичные ГГ соосно расположены друг против друга, и включены синфазно (см. рисунок 1.8). То есть работают синхронно, без каких-либо задержек, фазовых и частотных отличий. Подобная конструкция не может правильно звучать, ведь ГГ не «смотрят» на слушателя и мешают друг другу.

Звуковая волна - это волна изменения давления. Если вспомнить круги на воде после попадания в неё капли, то сама вода никуда не течёт, она остаётся на месте, но по ней распространяются волны, которые и есть последствия вымещения объёма той самой капли. Причём это движение возвратно поступательное. Так и в воздухе, сами молекулы никуда не движутся, а только слегка смещаются, то навстречу друг другу, то наоборот, волнообразно меняя плотность среды.

Рисунок 1.8 - Общий вид контрапертурной акустики

1, 2 - широкополосные головки;

3 - ВЧ головки;

4 - область формирования звукового давления;

5 - пути распространения отраженных сигналов.

При стандартной, привычной для нас конструкции АС, зона разряженного/сжатого воздуха находится перед ГД. Сама ГД не является источником звука, а изменяются концентрация молекул воздуха перед ней. У такого решения есть один значительный минус - так называемая «зона преобладания реактивной составляющей излучения», из-за большой длины низкочастотной волны по сравнению с размером излучателя и малой инертности воздуха. Из чего следует, что для полноценного прослушивания басов нужно находиться на некотором удалении от АС, что порой невозможно. Поэтому, обычно мы слышим низкие частоты, отражённые от стен, в какой-то степени даже, образованные там, что естественно, не сказывается положительно на субъективных ощущениях. Хотя объективно волна присутствует, правда, в несколько искажённом виде.

При применении контрапертурного принципа давление создаётся в воздушном столбе между ГД, и точка излучения находится также между ними. Создаётся, так называемый «монополь давления», точечный источник звука. И он не распределён частотно на изменчивом расстоянии от ГГ, а находится между ними, равномерно излучая во все стороны. Это и есть решение проблемы «дальней зоны» [3].

Контрапертурная акустика создаёт звуковое давление, которое всегда физически представляет собою ненаправленный (скалярный) продукт. В случае стереокомплекта мы имеем два монополя, а работу по преобразованию разностей двух каналов выполняет психоакустика (принцип «Гюйгенса»). При включении двух каналов не образуется какой-то особой области давления, в которой расположились две точки. Всю работу по локализации источников выполняет наш слуховой аппарат, а задача звукорежиссёров «обмануть» уши, применяя смещение фаз, задержки и изменения отношения громкости, чтобы получить необходимые образы. С отражениями ситуация проще. Направленные акустические системы ни в коей мере не свободны от проблемы отражённого звука, они точно также излучают волны во все стороны, но уже неравномерно.

Ослабление звука за счет отражений настолько незначительно, несмотря на все старания производителей, что особой роли не играет в общей характеристике АС. В результате получается, что даже в не очень хорошей по акустическим параметрам комнате, АС с круговой направленностью (или ненаправленные) смогут звучать заведомо лучше.

Контрапертурная акустика увеличивает «VIP зону», потому что слушателю не нужно напряжённо сидеть ровно в вершине треугольника, созданного стереопарой, боясь услышать искаженные сигналы, пришедшие от стен. Равномерное поле «чистого» звука шире, и критичность отражённых волн меньше.

Контрапертурный принцип позволяет избавиться от ещё одной проблемы, которая присуща обычным системам, и раньше считалась практически неразрешимой. Человеческое ухо особенно чувствительно к эффекту допплеровской интермодуляции. Данный термин, несмотря на свою формулировку, означает довольно простой эффект: фазовые и частотные смещения или колебания звуковой волны из-за движения источника звука. Этот эффект хорошо знаком фанатам моделей летающих самолётов. Когда вы стоите рядом с кругом, по которому летает модель, звук мотора постоянно преображается в зависимости от положения самолёта, но если вы стоите в центре, и сами крутите его, то звук для вас будет одинаков. А обостренную чувствительность человеческого уха к эффекту доплеровской интермодуляции можно объяснить реагированием на опасность в окружающей среде. Мы должны различать не только изменение громкости, тем более оно для расстояния в несколько метров будет не значительным (а вопрос жизни может решить и несколько сантиметров), но и что-то другое, ради моментальной реакции [3]. Малейшее изменение звука источника моментально обрабатывается нашим мозгом. Мембрана ГД очень быстро движется относительно вас. Следовательно, звук постоянно подвергается частотным и фазовым искажениям. ГД движется на минимальные расстояния, и этот эффект должен быть незаметен. Но, к сожалению, человеческое ухо, как уже упоминалось выше, настолько чувствительно, что и малейшие изменения играют заметную роль.

Контрапертурная акустика может избавиться от этого эффекта. Доплеровская модуляция возникает, когда источник звука приближается или удаляется от слушателя, а в случае вертикальной (или горизонтальной) постановки мембрана ГД не совершает никаких перемещений относительно наших ушей. Также, как и держащий в руке струну, ведущую к авиамодели «пилот», как человек сидящий в поезде, самолёте или машине не слышит каких-либо изменений в звуке мотора. Источник звука относительно него находится на одном неизменном расстоянии.

Дополнительно, два одинаковых, но противоположно направленных движения, компенсируют друг друга. Из этого вытекает и ещё один положительный эффект. Слушать контрапертурную акустику более комфортно. Нашему мозгу не приходится постоянно обрабатывать поступающий звук, как звук, источником которого является движущийся объект. Звучание становится «экологически чистым», сопоставимым со звуками живой природы. Конечно, это не снимает проблемы утомляемости от высокого уровня громкости, но уже не нагружает мозг дополнительной работой. Более того, наше сознание, в какой-то мере, отдыхает, при прослушивании натуральных звуков.

АС может иметь недостатки, присущие всем другим системам. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики ГД, несогласованность с усилителем и подобные.

Контрапертурную конструкцию можно создать и не прибегая к установке двух противоположно установленных ГГ (здесь требуется прецизионной точность инсталляции и полная идентичность ГД). Менее эффективный, но всё же отражающий суть, способ, прост, если вместо второй ГД, в середине контрапертурного промежутка поместить отражающую поверхность (достаточно жёсткую, не создающую дополнительных резонансов). Именно по этому пути реализуются портативные акустические излучатели. Следует заметить, что в таком случае приходится подобрать расстояние от ГД до отражающей поверхности, наиболее соответствующее условиям (размер ГД и угол рассеяния звуковых волн). Портативная система не допускает использование больше одной ГД, и это подразумевает более сложную ее конструкцию. Для большой широкополосной ГГ полуконтрапертура показана на рисунке 1.9.



Рисунок 1.9 - Общий вид полуконтрапертурной АС с отражающей поверхностью, вместо второй динамической головки

Поэтому конструкция портативного акустического излучателя предполагает использование малогабаритной широкополосной ГГ, установленной жёстко в корпусе без ФИ, напротив которой располагается пластина в виде «лепестков», «цветка» или простой пластинки. Расчёт нахождения пластины по отношению к ГГ выполнен в связи с углами направленного излучения ГГ и представлен в [4].

1.6 Обзор методик измерения параметров головок громкоговорителей, исследование характеристик акустических излучателей

Обычно АЧХ измеряют в звукомерных заглушённых камерах, реализующих условия свободного поля. Структурная схема измерений АЧХ показана в [5]. Синусоидальный сигнал от генератора, входящего в установку автоматической записи частотной характеристики (УАЗЧХ), через усилитель мощности подаётся на испытуемую АС, установленную в заглушённой камере. Контроль подаваемого напряжения осуществляется вольтметром. Создаваемое АС звуковое давление измеряется микрофоном, затем сигнал, пропорциональный звуковому давлению, поступает на вход микрофонного усилителя и регистрирующее устройство в составе УАЗЧХ.

За последние годы развились методы измерений АС с помощью импульсных сигналов, допускающих проведение измерений и в незаглушённых помещениях.

Наряду с АЧХ для оценки линейных искажений в АС используется ФЧХ, т. е. зависимость фазы звукового давления от частоты, измерения которой широко используются в практике проектирования АС. Однако методика измерений ФЧХ до настоящего времени не стандартизирована.

Для оценки пространственного распределения звукового поля используются характеристики, связанные с направленностью АС: диаграмма направленности, показатель направленности и др.

Для оценки нелинейных искажений в АС используют различные виды испытательных сигналов: тональные, шумовые, музыкальные и др. Однако чаще всего измеряются нелинейные искажения на синусоидальных сигналах. Обычно нормируется полный и характеристический коэффициент гармонических искажений на заданной частоте

, (1.5)

где к_г - полный коэффициент гармонических искажений;

p_i - давление, развиваемое громкоговорителем на частоте f_i, Па;

p_ср - среднее звуковое давление в заданном диапазоне частот, Па;

Полный коэффициент гармонических искажений

, (1.6)

где p_nf, p_f - звуковое давление на частотах f, nf. Измерения проводят в звукомерных заглушённых камерах.

Для проверки портативного акустического излучателя по его основным характеристикам измерения в звукомерных заглушённых камерах не проводятся. В качестве альтернативы можно использовать метод «качающегося микрофона», которой приближает условия измерения к свободному полю или звукозаглушённой камере.

1.7 Измерение АЧХ акустического излучателя методом качающегося микрофона

Особый способ измерения АЧХ, так называемый «метод качающегося микрофона» был описан в [6, 7].

Как известно основу системы слуховой ориентации человека составляет способность мозга различать разницу (доли миллисекунды) задержки звукового сигнала между правым и левым ухом. Высчитывая эту разницу мозг делает вывод о расположении источника в пространстве, т.е. наш мозг является идеальным анализатором импульсных сигналов.

Исходя из этого звучание АС (справедливо и для реальных музыкальных инструментов) в помещении для человека состоит из трёх основных составляющих:

- сигнал прямого излучения;

- сигнал отражаемый от стен и потолка (первичные отражения);

- сигнал отражённый от стенки расположенной за слушателем (вторичные отражения);

Все эти составляющие в неизученной пропорции суммируются мозгом на подсознательном уровне, и уже из этой суммы вытекает наше впечатление от звучания АС. Первичные и вторичные отражения формируются внеосевым (горизонтальным и вертикальным) излучением АС, следовательно от неравномерности внеосевых АЧХ зависит неравномерность АЧХ отражений. Эмпирически уже давно было доказано что хорошее впечатление производят АС с равномерными осевыми и внеосевыми АЧХ.

Для измерения АЧХ необходим измеритель звукового давления АЧХ которого либо идеальна, либо известна. Близкие к идеалу во всем звуковом диапазоне измерители дороги и малодоступны. Достаточно приобрести прибор с достоверными данными об отклонениях АЧХ от линейной. При этом необходимо фиксировать результаты измерений, учитывая поправки согласно таблице вносимых измерителем отклонений.

Разместите АС на расстоянии 40-80 см от стены позади нее и 1 - 2 м от боковой стены. Расположитесь с измерителем звукового давления на расстоянии 1,5 - 2 м от АС. Измеритель не следует располагать к стене ближе, чем на 60 - 70 см.

При этих условиях измеряемая АС и шумомер будет находиться недалеко от углов комнаты, расположенных по диагонали. В качестве измерительного сигнала не следует использовать синусоидальный. Из-за стоячих волн в помещении измерения с помощью чистого тона дадут плохо поддающуюся расшифровке, неинформативную характеристику.

Измерения микрофоном, расположенным в одной точке, дают результаты, неадекватные слуховому восприятию, так как даже псевдошумовые сигналы не полностью устраняют влияние стоячих волн в помещении. Чтобы результаты измерений были сопоставимы с реальным звучанием АС, необходимо непрерывно перемещать микрофон. Это известный метод «качающегося микрофона», применяемый, например, фирмой «Брюль и Кьер».

В нашем случае этот метод реализуется следующим образом:

1. Необходимо плавно перемещать микрофон перпендикулярно акустической оси измеряемой АС, сохраняя постоянной высоту шумомера от пола, равную 1 м.

2. Акустическую ось микрофона шумомера не обходимо направить на АС (небольшая погрешность - допустима).

3. Скорость движения должна быть не слишком медленной, колебания плавными, но довольно частыми. Это требуется для эффективного усреднения колебаний показаний прибора из-за стоячих волн в помещении.

С другой стороны, движение вызывает помехи из-за ветрового задувания микрофона. Стрелка прибора не должна отклоняться от минимальной отметки шкалы при выбранном диапазоне измерений. Шумомер позволяет, переключая пределы измерений, присвоить отметке шкалы «0dB» значения от 60-и до 120 дБ звукового давления. Понятно, что в режиме «60dB» движения микрофона должны быть самыми плавными и медленными. В режиме «120dB» движения могут быть очень интенсивными.

Оптимально присвоить нулевой отметке значение «80dB», так как при этом на АС приходиться подавать мощность в диапазоне ~0,1-0,5 Вт (в зависимости от чувствительности ГГ). Громкость около 80дБ достаточно велика, чтобы обычный шумовой фон жилого помещения не вносил существенной погрешности в измерения.

Оптимальная периодичность качания микрофона в этом случае - одно движение «от себя - к себе» в течении 0,8 -1,1 секунды (период - чуть короче секунды). Амплитуда движений - примерно 50 см.

Установите переключатели режимов измерения на шумомере в положение «С» (WEIGHTING) и SLOW (RESPONSE). Положение SLOW соответствует лучшему усреднению и меньшим колебанием стрелки. Тем не менее, полностью устранить эти колебания нельзя. Чем дольше стрелка находится в районе определенной отметки на шкале, тем больше надо учитывать значение этой отметки при усреднении, делая небольшую поправку в сторону кратковременных, но значительных отклонений стрелки.

2. Практическая часть

2.1 Моделирование конструкции портативного акустического излучателя

Для моделирования конструкций портативных акустических излучателей использовался пакет КОМПАС 17, который позволил не только продемонстрировать установку ГГ в корпусе излучателя, но и проследить реализованный принцип полуконтрапертуры.

Портативный акустический излучатель MyVibe H2 представлен на рисунке 2.1.

Портативный акустический излучатель MP3 Орбита DS-10 с указанием основных размеров представлен на рисунке 2.2.

Моделирование MyVibe SH2 выполнено и представлено на рисунке 2.3.

Конструктивные особенности Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00 приведены на рисунке 2.4. Необычная форма и особенности конструкции Sony SRS-X1 White представлены на рисунке 2.5.

Рисунок 2.1 - MyVibe H2



Рисунок 2.2 - MP3 Орбита DS-10

Рисунок 2.3 - MyVibe SH2



Рисунок 2.4 - Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00

Рисунок 2.5 - Sony SRS-X1 White

Особенностью каждой представленной модели является возможная реализация в ней полуконтрапертуры, т.е. нахождение элемента напротив ГГ в виде полусферы, как у моделей MyVibe H2, MyVibe SH2, Sony SRS-X1 White, либо в виде рассеивающей пластинки как в моделях MP3 Орбита DS-10 и Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00. Если сделать обобщение, то максимальное расстояние от ГГ до полусферной пластины лежит в пределах от 8 до 11 мм, а для пластины рассеивания звуковых волн составляет лишь 3 - 5 мм. Каждая динамическая головка обеспечивает отдачу звукового давления и на расстоянии r от нее звуковое давление может быть определено формулой [4]

, (2.1)

где L_H - звуковое давление на расстоянии 1 м от динамической головки.

Уменьшение звукового давления с удалением от динамической головки связано с распределением мощности на большую площадь - 4рr_в² (где r_в радиус фронта волны). Суммарная мощность, перетекающая через всю площадь волнового фронта, не изменяется, поэтому мощность, приходящаяся на единицу площади, уменьшается пропорционально квадрату радиуса фронта волны. Следовательно, чем меньше расстояние между двумя излучателями, тем больше суммарное звуковое давление.

Следующий определяющий фактор вертикальная направленность акустической системы.

Характеристика направленности АС определяет зависимость звукового давления на любой заданной частоте от направления излучения звука. Как видно на рисунке 2.6 характеристика направленности динамической головки в полярных координатах отображает изменение звукового давления, которое сфокусировано в области 60^о.



Рисунок 2.6 - Характеристика направленности динамической головки в полярных координатах

Следовательно, в этой области должна находиться вторая головка или на половинном расстоянии пластина (см. рисунок 2.7), расположенная на одной оси с первой, и чем дальше друг от друга они будут находиться, тем больше будет угол рассеивания

, (2.2)

где H = 2r - расстояние между двумя головками;

R - расстояние от центра до края корпуса системы.

Рисунок 2.7 - Углы рассеивания и расчетные размеры в контрапертурной акустике

Исходя из формул (2.1) и (2.2), оптимальное расстояние между двумя источниками, при котором выдержан оптимальный угол направленности и суммарное звуковое давление, представлен в виде графика [4] (см. рис. 2.8). На графике представлены две кривые, построенные по формулам (2.1) и (2.2) (зависимости звукового давления и угла вертикального рассеивания от расстояния до центра системы), точка пересечения этих кривых является половинным оптимальным расстоянием между излучателями [8].

Рисунок 2.8 - Оптимальное расстояние между двумя источниками.

Расчет оптимального расстояния расположения отражающей поверхности «половины» контрапертуры более сложен, чем расчет полной контрапертурной АС. Расчет состоит из определения оптимального расстояния между двумя источниками Н, а затем по формуле (2.3) необходимо вычислить оптимальное расстояние до отражающей поверхности Н_п (см. рис. 2.9).

, (2.3)

где - коэффициент отражения поверхности;

L₁ L₂ - уровни шума.



Рисунок 2.9 - Оптимальное расстояние для «половины» контрапертурной АС

Отражающая поверхность должна иметь такую же фигуру, как и панель корпуса на которую закреплена ГГ. Если пластина прямоугольная, то длинная сторона будет находится по формуле (см. рис. 2.10)

, (2.4)

где б - угол рассеивания динамической головки (в большинстве случаев 60^о).

Рисунок 2.10 - Определение размера отражающей пластины от вертикального угла вертикальной направленности

Далее определяется угол вертикальной направленности ц полученной системы по формуле

. (2.5)

Необходимо отметить, что полуконтрапертурная малогабаритная система, имеющая «большую» полусферную пластину рассчитывается согласно формуле (2.5), где расстояние от 8 до 11 мм является именно , а для пластины рассеивания звуковых волн составляет /2 порядка 3 - 5 мм, т.е. расчет рассеивающей пластины определяется четвертью расстояния от .

2.2 Разработка макета портативного акустического излучателя

Корпус малогабаритной головки громкоговорителя не определяет качественные параметры этого излучателя в звуковом диапазоне, а служит для дизайнерского решения данного излучателя.

В качестве элемента корпуса портативного акустического излучателя применяется пластина (прямоугольной формы или полусферической), определяющая контрапертурный принцип преобразования звуковых колебаний. Для реализации макета был использован готовый модуль усилителя, встроенного в корпус излучателя: усилитель НЧ 2 Вт (TBA820M). Усилитель мощности имеет хорошие эксплуатационные характеристики, он прост в сборке и надежен в работе. Благодаря малым габаритам (размеры печатной платы всего 40x35 мм) и низкому потребляемому току усилитель можно использовать как составной элемент портативного акустического излучателя. Усилитель имеет широкий диапазон питающих напряжений от 3 до 12 В. Общая сборка модуля представлена на рис. 2.11.



Рисунок 2.11 - Сборка модуля НЧ 2 Вт (TBA820M)

Особенности модуля:

- низкое напряжение питания и ток потребления;

- небольшое число необходимых внешних элементов;

- хорошее подавление пульсаций;

- небольшая рассеиваемая мощность.

Предельные параметры микросхемы приведены в табл. 2.1. Основные технические характеристики представлены в табл. 2.2. Типовая схема включения изображена на рис. 2.12.

Таблица 2.1 - Предельные параметры микросхемы TBA820M

Параметр	Обозначение	Предельное значение	Единица измерения
Напряжение питания	Uпит.	16	В
Пиковый ток на выходе	-	1,5	А
Рассеиваемая мощность	Pрасс.	1	Вт
Температура хранения	Tхран.	-40…+150	C

Таблица 2.2. - Основные технические характеристики микросхемы TBA820M

Параметр	Обозн.	Мин.	Среднее	Макс.	Ед. изм.	Примечание
Напряжение питания	Uпит.	3		16	В
Напряжение выхода в холостом режиме	Uвых.	4	4,5	5	В	Вывод 5
Ток потребления в холостом режиме	Iпотр.	-	4	12	мА
Входной ток смещения	Iвх. см.	-	0,1	-	мкА	Вывод 3
Выходная мощность	Pвых.	0,9	0,25-2	-	Вт
Входное сопротивление	Rвх.	-	5	-	МОм	Вывод 3
Искажение	-	-	0,8-0,4	-	%	Rнагр. = 2-4 Ом F = 1 кГц
Коэффициент усиления по току (открытый контур)	-	-	75	-	дБ	Rнагр. = 4 Ом F = 1 кГц

Рисунок 2.12. - Типовая схема включения усилителя на TBA820M

Изображение печатной платы приведено на рис. 2.13. Схема расположения элементов на плате изображена на рис. 2.14

.

Рисунок 2.13 - Изображение печатной платы

Рисунок 2.14 - Схема расположения элементов на плате

Технические характеристики всего модуля представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Технические характеристики модуля

Напряжение питания, В	3	6	9
Выходная мощность/рекомендуемое сопротивление нагрузки	0,2 Вт/4 Ом	0,75 Вт/4 Ом	1,6 Вт/4 Ом	2 Вт/8 Ом
Ток потребления, мА	60 мА	100 мА	150 мА	180-200 мА

Корпус макета представляет собой пластмассовую сферу (аналогично портативной DATEX), внутри которой установлен модуль усилителя, ГГ диаметром 40 мм, частотный диапазон 180 Гц - 18 к Гц. На корпусе установлена декоративная пластина. Внутри установлен малогабаритный литий-ионный аккумулятор DC 5V. На корпусе выведены соединители для подключения источника сигнала 3,5 мм и, при необходимости, зарядки аккумулятора. В корпусе вмонтирована гофра для «разъединения» частей корпуса и увеличения объемного пространства за ГГ.

2.3 Исследование характеристик и режимов работы акустического излучателя

Если измеряемая АЧХ для настроенного излучателя будет иметь провалы и горбы, которые совсем не похожи на привычные, почти идеальные характеристики, приводимые производителями, то одна из причин кажущейся «кривизны» - сильно растянутая шкала уровня звукового давления. Кроме того, эта реальная АЧХ гораздо информативнее обычных графиков, ничего не говорящих о звучании.

Измерения проводились на частотном ряде, представленном в табл. 2.4 и реальном синусоидальном сигнале, задаваемом с мобильного телефона приложением Frequency Sound Generator на расстояниях10 см, 50 см, 1 м и измеряемого на расстоянии от ГГ методом качающегося микрофона. В качестве измеряющего устройства использовался шумомер. Выходная мощность излучателя составила 2 Вт.

В процессе измерений было неизменным расстояние между диффузором ГГ и полусферной пластинкой 10 мм.

Измеренные усредненные значения звуковых давлений на различных расстояниях по изложенной методике приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4 -Результаты измерений

Частотный ряд, Гц	С открытым корпусом, дБ	С закрытым корпусом, дБ
	10 см	50 см	1 м	10 см	50 см	1 м
50	46,7	46	45	46	44	41
100	48	47	43	47	45	42
200	50	48	44	49	48	43
400	65	50	45	50	49	44
1000	66	51	46	67	65	45
2000	65	52	46	68	62	46
4000	65	51	45	69	63	46
5000	66	50	46	68	64	45
6000	64	62	47	69	63	46
8000	63	61	46	68	62	48
10000	62	60	45	67	65	45
12000	60	59	44	68	62	47
14000	61	60	43	65	64	48
15000	60	58	42	64	60	45

Результаты измерений наглядно представлены на рис. 2.15 и 2.16.



Рисунок 2.15 - Значение измеренной АЧХ с открытым корпусом портативного излучателя

Рисунок 2.16 - Значение измеренной АЧХ с закрытым корпусом портативного излучателя

2.4 Разработка общих рекомендаций к использованию результатов

В результате исследований было выяснено, что в частотном диапазоне, который обозначен в паспортных данных на ГГ, а точнее 180 Гц - 18 к Гц, ГГ не ведёт себя постоянно по отдаваемому звуковому давлению. Есть всплески порядка 20 дБ. В частотном диапазоне есть характерные подъёмы и спуски АЧХ. Таким образом, диапазон частот 180 Гц - 18 к Гц реально меньше с использованием корпуса акустического излучателя и контрапертурного принципа преобразования.

Можно рекомендовать использовать данную головку и корпус макета в диапазоне частот от 400 Гц до 15 кГц, причём с открытым корпусом звуковое давление меньше, чем с закрытым.

Контрапертурный принцип оправдывает себя, так как полусферная пластинка дополнительно создаёт (удерживает) отдачу звукового давления.

Данное давление увеличивается на 2 - 5 дБ по сравнению с головкой без корпуса и без пластины.

В результате исследований было опровергнуто утверждение о том, что корпус служит исключительно декоративным целям, и не участвует в процессе формирования звуковых колебаний компрессионного типа. Поэтому целесообразно применять закрытый корпус, хотя объём его можно менять за счёт открытия и раскрытия частей корпуса (внутри стоит гофра при открытом состоянии корпуса).