Двухполосные акустические системы в открытом оформлении. Акустическая система «по Чебышеву» (на сдвоенных динамиках) Делаем сами акустическую колонку со сдвоенной головкой

А.Н. Журенков, г. Запорожье. PA 10" 2009
После публикации моей статьи «Сдвоенные динамические головки» («Радио» 5/1979) это техническое решение
вызвало большой интерес у радиолюбителей и разработчиков акустических систем. Об этом свидетельствуют
многочисленные письма радиолюбителей, статьи в журналах «Радиоаматор» и «Радио», проспект фирмы
«Jamo» 1985, выпустившей ряд АС со сдвоенными головками, книга Карлаша В. , «Справочник
радиолюбителя» Те-рещука Р. с соавторами и др.

Сдвоенные головки используются для более качественного воспроизведения низких частот звукового
диапазона. Сдвоенные головки типа «диффузор к диффузору» (рис.1) используются в АС только для
воспроизведения низких частот. Сдвоенные головки типа «диффузор за диффузором» (рис.2), в основном,
рекомендуется использовать в АС для воспроизведения всего звукового диапазона с применением
широкополосных головок.
Естественно, сдвоенные головки имеют параметры, отличающиеся от таких же одиночных, и требуют более
детального технико-экономического анализа, а АС с такими головками - доступных методик расчета. Понимая
это, я в 1979 году подготовил и направил статью по этому вопросу в журнал «Радио», но статья была
заблокирована рецензентом Иофе В.К. под предлогом неэффективности применения сдвоенных головок в АС.
Это говорит о том, что ученые и специалисты не сразу поняли суть физических процессов, происходящих в
сдвоенных головках.
И только в 1983 году, возможно, после зарубежной информации о выпуске АС со сдвоенными головками,
статьи о сдвоенных головках были разблокированы. Об этом свидетельствует статья радиолюбителя Жбанова
В. «О громкоговорителях со сдвоенными головками» («Радио» 2/1983). Автор сделал ряд грамотных выводов,
но в своей АС применил сдвоенную головку менее эффективного типа «диффузор за диффузором» и предложил
сдваивать среднечастотные головки , что недопустимо по причинам, которые будут изложены ниже. К
несчастью, эти ошибки попали и в «Справочник радиолюбителя» Терещука Р. В 1987 году Жбанов В. в статье
«Пути уменьшения габаритов акустических систем» предоставил результаты экспериментов, которые
показали, что только симметричная сдвоенная головка подавляет излучение четных гармоник и другие виды
искажений, а также предложил в один блок устанавливать п головок. Теоретически это возможно, а практически
такой блок из п головок будет иметь большие габариты, которые необходимо добавлять к расчетному объему
ящика. В результате этого общий объем ящика уменьшится не столь существенно, появятся фазовые сдвиги
звуковых волн даже в низкочастотном диапазоне из-за большого расстояния между крайними головками, и
неоправданно увеличатся стоимость АС, а также потребуется более мощный усилитель.
Другие авторы публикаций также допустили ряд существенных ошибок в своих конструкциях АС со
сдвоенными головками. Кратко в качестве примеров можно привести три статьи из разных журналов. Автор
Алейнов А. в статье «НЧ излучатель с симметричной магнитной системой» («Радио» 2/2001) предложил
сложную нетехнологичную и, очевидно, чисто теоретическую конструкцию, т.к. изготовить ее в любительских
условиях просто невозможно. Кроме того, вместо обещанного автором звучания она будет иметь плохие
параметры, т.к. внутренний демпфер будет увеличивать путь, искривлять и препятствовать свободному
движению звуковых волн между диффузорами. Увеличение пути движения звуковой волны от внутреннего
диффузора к внешнему может привести к ощутимым фазовым сдвигам даже на низких частотах, что приведет к
искажению АЧХ.

Автор Синецкий Б. в статье «Две конструкции АС» («Радиоаматор» 1/2000, рис.3) сдвоил разнотипные головки,
что недопустимо, а также нерационально выделил большой объем для широкополосной головки. Грамотной и
оригинальной является конструкция АС со сдвоенной головкой радиолюбителя Гурина С., приведенная в статье
«Акустическое оформление громкоговорителя» («Радио» 4/1991).
Большинство авторов не приводят параметров, расчетов ящиков АС, сравнительных характеристик и хотя бы
простых измерений АЧХ через микрофон в реальных условиях, т.е. в помещениях, где АС будет
использоваться. В этом есть и объективная причина - отсутствие современных научно-популярных изданий по
акустике и дефицит ранее изданной фундаментальной литературы по электродинамическим головкам и АС. В
основном радиолюбители добиваются результатов путем экспериментов, что довольно накладно, т.к.
изготовление любой АС очень трудоемкий процесс.
Прежде чем перейти к особенностям конструирования АС со сдвоенными головками необходимо привести
анализ физических процессов, происходящих в сдвоенных головках и влияющих на их основные параметры.
Физические процессы в головках, сдвоенных по типам «диффузор к диффузору» и «диффузор за диффузором»
одинаковы. Разница между этими типами состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем будет
описано ниже.
Диффузоры сдвоенных головок связаны между собой объемом воздуха, заключенного между ними. Этот объем
должен быть герметизирован во избежание нежелательных явлений . Оба диффузора при воспроизведении
звукового сигнала движутся синфазно, т.е. либо оба наружу, либо оба внутрь ящика АС.
Диффузор наружной головки излучает звуковые волны во внешнее воздушное пространство, а диффузор
внутренней головки, двигаясь наружу, сжимает воздух между диффузорами, помогая наружному преодолевать
сопротивление воздуха внешнего пространства и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же
одиночной головкой, при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Двигаясь в обратном
направлении, диффузор внутренней головки разрежает воздух между диффузорами и сжимает воздух внутри
ящика, помогая наружному диффузору совершать большую амплитуду в обратном направлении, т.е. диффузор
внешней головки как бы «имеет дело» с ящиком большего объема, чем фактический. Этим объясняется
реализация мощности, подводимой к внутренней головке, которая не излучает звуковые сигналы во внешнее
пространство, а возбуждает звуковые волны в объеме воздуха, заключенного межу диффузорами, которые
должны быть синфазными с колебаниями внешнего диффузора. Идеально синфазными они быть не могут, т.к.
звуковые волны от внутреннего диффузора к внешнему проходят какое-то расстояние, поэтому сдвиг фаз
неизбежен. По этой причине сдвоенные головки могут работать только в том диапазоне частот, в котором
длины звуковых волн не соизмеримы с расстоянием между их диффузорами, т.е. только в низкочастотном
диапазоне звукового спектра частот.

Например, для верхней частоты НЧ диапазона 150 Гц сдвиг фаз между колебаниями диффузоров сдвоенных
головок типа 6ГД-2 составит 0,022 длины волны, а на более низких частотах сдвиг фаз будет еще меньше, что
практически не внесет никаких искажений.
Для верхней частоты СЧ диапазона 5 кГц сдвиг фаз между колебаниями диффузоров сдвоенных головок типа
ЗГД-1 составит 0,43 длины волны, а это значит, что звуковая волна от внутреннего диффузора к внешнему
придет практически в противофазе и создаст полный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той
причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки.
По этой же причине при сдваивании широкополосных головок по типу «диффузор за диффузором» для
воспроизведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуковую катушку внутренней
головки заблокировать от воздействия средних и высоких частот . Схемы параллельного и
последовательного подключения головок показаны на рис.3. При этом эффект сдвоенной головки типа
«диффузор за диффузором» будет проявляться только в НЧ диапазоне, а остальные частоты будут
воспроизводиться только внешней головкой. Естественно, АС со сдвоенными широкополосными головками не
могут быть высококачественными, но более качественными, чем в обычном исполнении.

Для высококачественных АС рекомендуется сдваивать головки по типу «диффузор к диффузору» и только для

Воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет четные гармоники, которые вызывают
ощутимые нелинейные искажения, особенно вторая гармоника, как самая большая по амплитуде.
Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложены в их технологии производства,
традиционных конструкциях магнитных систем, обладающих несимметричным и неравномерным
распределением магнитной индукции в магнитном воздушном зазоре , несимметричной конической формой
диффузоров, обладающих «парашютным эффектом сопротивления воздуху», несимметричном размещении
звуковых катушек в магнитном зазоре и нелинейной гибкости подвесов подвижных систем . Для одиночной
головки распределение магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы несимметрично (рис.4,а).
В сдвоенной головке типа «диффузор к диффузору»:
результирующее распределение магнитной индукции в воздушном зазоре эквивалентной магнитной системы
становится симметричным (кривая Всг на рис.4,6);
нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенсируется;
результирующая форма диффузора становится симметричной;

несимметричное расположе-1 ние звуковых катушек в магнитных воздушных зазорах! устраняется путем
подбора экземпляров головок с одинаковой несимметричностью.
В сдвоенной головке типа «диффузор за диффузором» устраняется только несимметричное расположение
звуковых катушек в воздушных магнитных зазорах путем подбора экземпляров головок с противоположной
несимметричностью .
Номинальная мощность электродинамической головки
это наибольшая мощность, при которой параметры головки соответствуют паспортным данным, а
максимальная мощность
это наибольшая мощность, при которой головка может длительно работать без повреждений. Эти мощности у
сдвоенной головки любого типа в два раза больше, чем у аналогичной одиночной головки.
Электрическое сопротивление электродинамической головки представляет собой отношение напряжения к
электрическому току звуковой катушки. Эта величина комплексная, которая зависит от частоты звукового
сигнала и достигает максимума на частоте основного резонанса . В заводских паспортах приводится
номинальное электрическое сопротивление. У сдвоенных головок любого типа при последовательном
соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном - в два раза меньше, чем у
аналогичной одиночной головки.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависимость
звукового давления от частоты воспроизводимого сигнала при неизменной подводимой мощности к звуковой
катушке. Все выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравномерные АЧХ , причем АЧХ разных
экземпляров одного итого же типа головок имеютразную неравномерность и несколько отличные частоты
основного резонанса подвижных систем. В сдвоенных головках пики и провалы в НЧ диапазоне частично
компенсируются, и АЧХ получается более сглаженной, а в СЧ и ВЧ диапазонах сдвоенные головки не работают
по указанным выше причинам .
Среднее стандартное звуковое давление электродинамической головки представляет собой среднеквадратичное
значение звуковых давлений в ее полосе частот на расстоянии 1 м при подводимой мощности 0,1 Вт [ 1 ] и
зависит от мощности и КПД. Динамические головки одной и той же мощности, отличающиеся диаметром
диффузоров, магнитной индукцией в воздушных магнитных зазорах, массой подвижных систем и гибкостью
подвесов подвижных систем отличаются КПД и создают разные звуковые давления.
Коэффициент полезного действия (КПД) электродинамической головки зависит от параметров ее
конструктивных элементов. Наибольшее звуковое давление (громкость) создают головки с наибольшим, легким
диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с другими головками такой же мощности.
Однако такие головки требуют большего объема ящика АС, который, как будет показано ниже, прямо
пропорционален эффективной площади диффузора, гибкости подвеса подвижной системы и обратно
пропорционален массе подвижной системы. В сдвоенной головке эффективная площадь диффузора и гибкость
подвеса подвижной системы в два раза меньше, масса подвижной системы в два раза больше, чем у двух
одиночных головок (в расчетах объема ящика АС масса каждой головки учитывается отдельно).
В связи с этим КПД сдвоенной головки уменьшается в 1,41 раз, однако это окупается снижением всех видов
искажений,
нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и объема ящика АС, который в четыре раза меньше,
чем в традиционном варианте :
Vэ.сг = (Vэ.1+Vэ.2)/4 где
Vэ.сг - эквивалентный объем сдвоенной головки;
Vэ.1 + Vэ.2 - эквивалентные объемы одиночных головок.
Частота основного резонанса электродинамической головки, содержащей подвижную систему, обладающую
массой и гибкостью, представляет собой механическую резонансную систему. Частота основного резонанса
определяется максимальной амплитудой колебаний диффузора при одной и той же мощности [ 1 ].
Частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется. Объем ящика АС определяется из
зависимости частоты основного резонанса головки от его объема. При установке любой головки в ящик
закрытого типа частота основного резонанса повышается и тем больше, чем меньше объем ящика. Основным
параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропорциональна его объему
и обратно пропорциональна эффективному диаметру диффузора . Гибкость воздуха в большей степени
зависит от диметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдвоенной
головки относительно двух одиночных существенно повышает ее. Эффективный диаметр диффузора сдвоенной
головки меньше в 1,41 раз по сравнению с двумя одиночными головками.
Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует
дополнительных затрат труда и материалов. Проще, исходя из параметров головок, подлежащих сдваиванию, и
желаемого результата задать новую частоту основного резонанса и рассчитать его объем по известной методике
. Если ящик окажется больше желаемого, тогда придется выбрать несколько выше частоту основного
резонанса и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее трудоемко, чем изготовление проверочного
ящика. В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС пригодны для
конструирования АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с
рупором, ПАС и т.п.). Для более рационального использования объема ящика АС рекомендуются варианты
установки сдвоенных головок, показанные на рис.5.

Выходные отверстия могут быть круглыми или прямоугольными, закрытыми декоративными решетками. В
качестве материала для ящиков рекомендуется применять ДСП, которая более доступна и не издает призвуков
как фанера или доска.
Литература
1. Эфрусси М. Громкоговорители и их применение. М. «Энергия», 1976.
2. Журенков А. Сдвоенные динамические головки // Радио. - 1979. -№4.
3. Жбанов В. О громкоговорителях со сдвоенными головками // Радио. - 1983. - №2.
4. Жбанов В. Пути уменьшения габаритов акустических систем // Радио. - 1987. - №2.
5. Карлаш В. Любительские стереоконструкции. - К.: Техника, 1983.
6. Алдошина И., Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели. -М.: Радио и связь,
1985.

Несколько лет назад радиолюбитель А. Журенков предложил для снижения нижней границы диапазона воспроизводимых громкоговорителем частот использовать сдвоенные головки . К сожалению, в радиолюбительской практике этот метод расширения диапазона в сторону низких частот широкого распространения не получил. И связано это, вероятнее всего, с отсутствием доступной методики расчета громкоговорителей со сдвоенными головками. В статье сделана попытка восполнить образовавшийся пробел и дать радиолюбителям некоторые рекомендации по расчету громкоговорителей со сдвоенными головками.

Известно, что при расчете любого громкоговорителя исходят обычно из параметров используемой в нем головки . Сдваивание головок приводит к изменению только одного из этих параметров ~ общего эквивалентного объема. Так, при сдваивании головок с эквивалентными объемами V э 1 и V э 2 их общий эквивалентный объем V э = (V э 1 +V э 2)/4. Вся методика дальнейшего расчета громкоговорителей со сдвоенными головками не отличается от расчета громкоговорителей с одинарными головками, как для закрытого ящика, так и для фазоинвертора .

где С г - гибкость колебательной системы головки, см/г, измеренная по методике предложенной в ; D э - диаметр диффузора без гофра, см.Найденное значение V э можно использовать при расчете ящика громкоговорителя, а после его изготовления провести более точные измерения. Несколько слов о КПД громкоговорителя со сдвоенными головками. Зависимость его от параметров описывается выражением :

где с - скорость звука, К - безразмерная величина, постоянная для данного типа головки и акустического оформления. V - заданный объем ящика громкоговорителя.

Приведенная формула показывает, что платой за снижение нижней граничной частоты воспроизводимого громкоговорителем диапазона является уменьшение его .

Это, однако, с лихвой окупается тем, что при сдваивании головок уменьшаются все виды искажений воспроизводимого ими сигнала. Помимо причин, на которые указывалось в , этому способствует еще одно немаловажное обстоятельство. Дело в том, что неравномерность звукового поля внутри ящика громкоговорителя приводит к сильной неравномерности его АЧХ. Неравномерное распределение звукового давления внутри ящика может, кроме того, явиться причиной деформации диффузора (особенно легкого и тонкого) головки, что, в свою очередь, способствует возникновению нелинейных и интермодуляционных искажений.

В случае использования сдвоенных головок все эти неприятные явления возникают лишь на внутренней головке, на внешней же, благодаря демпфирующему действию заключенного между головками воздуха, значительно ослабляются.

Для устранения источника этих искажений частотный спектр колебаний, подаваемых на внутреннюю головку, в зависимости от размеров громкоговорителя рекомендуется ограничить до 100...300 Гц. Ослабить вредное влияние внутренних резонансов ящика на качество воспроизведения можно и установкой между головками или на тыльной стороне внутренней головки панелей акустического сопротивления (ПАС). В обоих случаях ПАС рекомендуется размещать в отверстиях диффузородержателей головок. Следует также иметь в виду, что ПАС снижает добротность головки, а это может оказаться весьма кстати, поскольку в некоторых случаях позволит использовать усилитель НЧ без ПОС по току.

Известно, что качество звучания громкоговорителя зависит от равномерности не только АЧХ , но и ФЧХ , Сглаживание ФЧХ добиваются как в электрическом (путем выбора соответствующих разделительных фильтров), так и в акустическом трактах (руководствуясь рекомендациями, приведенными в ).

Определенного выравнивания фаз, излучаемых головками звуковых колебаний, можно достигнуть, например, расположением звуковых катушек головок в одной плоскости, перпендикулярной акустической оси громкоговорителя. Однако указанная мера часто оказывается недостаточной, особенно при использовании головок со значительно отличающимися массами подвижных систем и с диффузорами из материалов разной плотности. В первом случае это объясняется тем, что фазовые сдвиги, вносимые головками на средних и высших частотах, при прочих равных условиях тем больше. чем больше масса подвижной системы, а во втором - тем, что фазовые сдвиги зависят от скорости распространения звуковых волн по поверхности диффузора.

Эти обстоятельства вынуждают выдвигать вперед низкочастотную головку по отношению к среднечастотной, а среднечастотную - по отношению к высокочастотной. Необходимое дополнительное смещение головок можно найти экспериментально, подав на вход усилителя, с которым работает громкоговоритель, напряжение прямоугольной формы частотой 0,7fр (здесь fp - частота раздела) и наблюдая переходный процесс сигнала, снимаемого с измерительного микрофона, установленного на акустической оси головок.

Учитывая изложенные выше соображения, сдвоенные головки, работающие в низкочастотном звене, следует устанавливать, руководствуясь рисунком. Если же решено использовать сдвоенные головки и в среднечастотном звене, то их нужно расположить диффузорами друг к другу, как рекомендовано в .

Практическим примером применения сдвоенных головок может служить разработанный автором двухполосный громкоговоритель, выполненный в виде фазоинвертора. В его низкочастотном звене используются сдвоенные головки 6ГД-2, а в средневысокочастотном - головка ЗГД-42 (можно и ЗГД-32). Работает он совместно с двухполосным усилителем, номинальная выходная мощность низко- и высокочастотного каналов которого 20 и 10 Вт соответственно. Разделительный фильтр (частота раздела 500 Гц) аналогичен приведенному в . Выходное сопротивление низкочастотного канала усилителя отрицательное - 1,5 Ом. Номинальный диапазон воспроизводимых громкоговорителем частот - 30... 18000 Гц, неравномерность АЧХ - не более 6 дБ.

Корпус громкоговорителя (700х400х360 мм) изготовлен из ДСП толщиной 20 мм. Передняя стенка склеена из двух листов ДСП, ее толщина - 40 мм. Такова же толщина и цилиндрической накладки диаметром 300 мм из того же материала, закрепленной с внешней стороны передней панели. Отверстие в накладке диаметром 230 мм совпадает с отверстием в передней панели под низкочастотные головки.

Одна из них закреплена с внутренней стороны передней панели, другая с внешней стороны накладки. Головка ЗГД-42 укреплена с внешней стороны передней панели над низкочастотным узлом большой осью вертикально. С внутренней стороны она прикрыта колпаком, объем которого (около 2 литров) заполнен ватой. Для увеличения жесткости ящика между передней и задней, а также между боковыми стенками установлены металлические распорки. Внутренние стенки ящика оклеены войлоком толщиной 20 мм.

Труба фазоинверсного отверстия (установлена на передней панели) имеет внутренний диаметр 80 и длину 160 мм, считая и толщину передней стенки.

Громкоговоритель можно выполнить и в виде закрытого ящика. В этом случае гладкая АЧХ на низких частотах получается при нулевом выходном сопротивлении полосного усилителя, а нижняя граница воспроизводимого громкоговорителем диапазона частот повышается до 40 Гц. Если в такой громкоговоритель установить разделительные фильтры с частотой раздела 400...500 Гц, то его можно использовать практически с любым усилителем, работающим на нагрузку 4 Ом.

Верность воспроизведения музыкальных программ громкоговорителя в обоих исполнениях весьма высокая.

ЛИТЕРАТУРА

Журенков А. Сдвоенные динамические головки. Радио. 1979. № 5. с. 48.
Виноградова Э. Л, Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками.- М.. Энергия, 1978.
Эфрусси М. Расчет громкоговорителей.- Радио 1977 № 3. с. 36-37.
Валентин и Виктор Лексины. Однополосный или многополосный? Радио, 1981. № 4, с.35-38. (РАДИО 2, 1983 г.)

Известно, что при расчете любого громкоговорителя исходят обычно из параметров используемой в нем головки . Сдваивание головок приводит к изменению только одного из этих параметров ~ общего эквивалентного объема. Так, при сдваивании головок с эквивалентными объемами Vэ1 и Vэ2 их общий эквивалентный объем Vэ= (Vэ1i +Vэ2)/4. Вся методика дальнейшего расчета громкоговорителей со сдвоенными головками не отличается от расчета громкоговорителей с одинарными головками как для закрытого ящика, так и для фазоинвертора .

Для точного определения эквивалентного объема головки рекомендуют использовать измерительный ящик. Если подходящего измерительного ящика достать не удалось, для определения эквивалентного объема головки (в лит pax) можно воспользоваться прибли-женной формулой: Vэ=0,875 *Сг* Dэ4 где Сг - гибкость колебательной системы головки, см/г, измеренная по методике. предложенной в ; Dэ - диаметр диффузора без гофра, см.

Найденное значение Vэ можно использовать при расчете ящика громкоговорителя, а после его изготовления провести более точные измерения.

Несколько слов о КПД громкоговорителя со сдвоенными головками. Зависимость его от параметров описывается выражением : КПД=

Приведенная формула показывает, что платой за снижение нижней граничной частоты воспроизводимого громкоговорителем диапазона является уменьшение его КПД.

Это, однако, с лихвой окупается тем. что при сдваивании головок уменьшаются все виды искажений воспроизводимого ими сигнала. Помимо причин, на которые указывалось в , этому способствует еще одно немаловажное обстоятельство. Дело в том, что неравномерность звукового поля внутри ящика громкоговорителя приводит к сильной неравномерности его АЧХ. Неравномерное распределение звукового давления внутри ящика может, кроме того, явиться причиной деформации диффузора (особенно легкого и тонкого) головки, что, в свою очередь, способствует возникновению нелинейных и интермодуляционных искажений.

Известно, что качество звучания громкоговорителя зависит от равномерности не только АЧХ, но и ФЧХ, Сглаживание ФЧХ добиваются как в электрическом (путем выбора соответствующих разделительных фильтров), так и в акустическом трактах (руководствуясь рекомендациями, приведенными в ).