Рог (громкоговоритель)

Среднечастотный динамик рупора, используемый в домашней аудиосистеме

Как работает рупорный динамик

В технологии звукоусиления рупор - это тип громкоговорителя, в котором один или несколько динамиков связаны с окружающей средой через точно определенный звуковой канал с постоянно увеличивающимся поперечным сечением . Цель состоит в том, чтобы адаптировать волновое сопротивление громкоговорителя к характеристическому акустическому сопротивлению окружающего воздуха .

Условия

Чтобы четко разделить термины, используемые в этой статье, используется следующая номенклатура:

• Драйвер - это фактическое шасси громкоговорителя, встроенное в структуру громкоговорителя.
• Звуковой сигнал - это звуковой канал от отверстия для шеи (на водителе) до отверстия для рта (во внешний мир). Рупор геометрически и акустически определяется его контуром, то есть ходом площади поперечного сечения по длине рожка.
• Шейка рупора - это меньшая торцевая поверхность рупора, на которой непосредственно или с помощью корпуса коррекции фазы устанавливается динамик.
• Устье рупора - это большая торцевая поверхность рупора, которая излучает акустическую мощность в окружающую среду.
• Телесный угол зависит от расположения динамика. Различают полностью свободную подвеску (4-Pi), установку на поверхности (2-Pi), установку на поверхности перед стеной (Pi) и установку в углу (Pi / 2).
• Корпус - это конструкция, в которую встроены и динамик, и звуковой сигнал. Конечно, части корпуса также могут быть компонентами рупора. Иногда корпус используется для вывода части акустической энергии, излучаемой драйвером, в корпус наружу. Возникает з. Б. сочетание между фазоинвертор коробкой и рупорный громкоговоритель. Другие компоненты корпуса, такие как соединения, защитные кромки, транспортировочная или монтажная фурнитура, здесь обсуждаться не будут.
• Громкоговоритель или коробка - это в конечном итоге вся конструкция.

Основы

Басовый валторна как арт-объект

Задача громкоговорителя - максимально эффективно передавать подводимую к нему электрическую энергию в пространство вокруг него. В частности, есть четыре требования:

• высокий КПД (максимально возможный объем должен быть достигнут за счет подаваемой энергии, см. также волновое сопротивление )
• высокая точность воспроизведения (звук не должен искажаться, если это возможно)
• небольшие размеры, если громкоговорители будут переносными. В случае стационарных инсталляций (например, в театрах, кинотеатрах или дискотеках) размер больше не играет такой решающей роли.
• максимально широкая полоса пропускания (соотношение используемых верхней и нижней частоты)

Эти четыре требования влияют друг на друга. Сложность разработки рупора состоит в том, чтобы найти наилучший компромисс между этими требованиями.

Поскольку частоты и соответствующие длины волн упоминаются снова и снова в этой статье, вот некоторые типичные тона, а также соответствующие частоты и длины волн (на основе скорости звука 340 м / с):

• самая высокая нота на фортепиано: 4220 Гц или 0,08 м
• Концертная высота A: 440 Гц или 0,77 м
• Самая низкая нота на современной бас-гитаре (нижний си): 30 Гц или 11,33 м
• самая низкая нота на фортепиано: 27,5 Гц или 12,36 м
• Нижняя граница спектра человеческого слуха: 16 Гц или 21,25 м

Громкоговоритель с прямым излучением, то есть шасси громкоговорителя, например, в перегородке, имеет, как и любой другой акустический излучатель, акустический импеданс, который в первую очередь зависит от его геометрии (особенно диаметра), а также от удельной плотности и сжимаемости окружающего воздуха. Если длина волны передаваемого сигнала выходит за пределы окружности круглого излучателя, возникает рассогласование, которое значительно снижает эффективность электроакустического преобразователя. Одно из решений - значительно увеличить диаметр. Однако это обычно исключается из-за тенденции очень большой диафрагмы громкоговорителя генерировать частичные колебания с поворотом фазы. К тому же конструктивные доводы часто говорят против.

Особенно в случае больших систем громкой связи желательно направлять звуковую энергию туда, где она необходима; с другой стороны, не следует закрывать звуком другие области. Так что звук надо направлять. Самый простой способ сделать это - если излучатель (всегда активная часть громкоговорителя, то есть части диафрагмы, вибрирующие в правильной фазе) имеет размер, равный или превышающий наибольшую передаваемую длину волны. На очень низких частотах это возможно только при использовании звуковода (например, рупора) или массивов громкоговорителей.

Рога как усилитель звука

Громкоговорители со сложенным рупором, используемые в системах громкой связи

Сложенные рупорные динамики

Для рупора как усилителя звука характерно то, что звуковой генератор прикреплен к маленькому концу устройства, который в самом широком смысле имеет форму воронки и который постоянно увеличивается в диаметре от одного конца к другому, звуки которого связаны и излучаются рогом. Этот принцип рупора - изобретение не нашего времени. Еще в древние времена использовалась особая форма рогов животных (например, шофар, используемый на Ближнем Востоке ), чтобы иметь возможность генерировать самые громкие сигналы. Другими примерами применения принципа рупора вне акустической техники являются:

• Медные духовые инструменты, такие как трубы , тромбоны , тубы или альфоры.
• « Сумки для шепота », предшественники мегафона , состоящие из воронкообразной трубы из листового металла с отверстием на маленьком конце (известное, например, по рулевому у руля , который может таким образом подкреплять свои команды)
• Рог граммофона воронки
• Тифон или Макрофон , особенно громкий воздушный рог

Принцип действия акустического рупора аналогичен принципу действия трансформатора акустического импеданса. Грубо говоря, можно сказать, что рог увеличивает поверхность шеи (обычно у водителя) на поверхности рта. С увеличением площади происходит значительно лучшая адаптация акустического импеданса громкоговорителя к сопротивлению окружающей среды, что, помимо других эффектов, приводит к значительному повышению эффективности. Принцип можно применить и наоборот:

• Гудки на старых телефонных трубках (со стороны микрофона)
• на аппарате Эдисона

В основном, рассуждения в статье относятся к так называемым "рупорам с фронтальной загрузкой", в которых одна сторона мембраны драйвера работает на рупор (другая в закрытом корпусе), т.е. звук излучается исключительно через рупор. Однако в зоне громкоговорителей и музыкантов или с широкополосными драйверами также создаются «рупоры с обратной загрузкой», где одна сторона мембраны свободно излучает в более высоких частотных диапазонах. Однако интерференции и эффекты времени выполнения между звуковыми компонентами, излучаемыми напрямую и через рупор, приводят к едва поддающимся расчету отменам и преувеличениям. В идеальном случае рупор в низкочастотном диапазоне оказывает на драйвер такую ​​нагрузку, что мембрана практически перестает выполнять басовые удары, т.е. напрямую не излучает. (Высокочастотные компоненты иногда излучаются гудящим конусом.) Механический фильтр нижних частот (форкамера) гасит подачу высокочастотных компонентов в рупор, точно так же, как рупор часто частично заполнен демпфирующим материалом. Данные громкоговорителей согласно Тиле и Смоллу также вызывают падение уровня на более высоких частотах.

Нижняя предельная частота определяется импульсом функции открытия (в случае экспоненциального рупора - константой рупора) и, в очень важном смысле, также площадью открывания рта. Для звучания рупора в комнате с 4 пианиной (свободная установка, без смежных стен на значительном расстоянии) требуется отверстие для рта, окружность которого соответствует наименьшей длине волны для передачи. Меньшие сплошные углы позволяют уменьшить раскрытие рта в той же степени, что при угловой установке уменьшает необходимое открывание рта до 1/8 (что впечатляюще и успешно демонстрирует Klipschorn ). Практически реализованные рупоры - особенно для диапазона низких частот - часто делаются с отверстиями для рта, которые явно слишком малы, что резко уменьшает размер, но имеет пропорциональные недостатки в виде волнистости частотной характеристики и резкого ухудшения импульсного поведения. Многие «рожки» при внимательном рассмотрении и пересчете оказываются коробками ЛЭП - со всеми их достоинствами и недостатками. Посредством «штабелирования», то есть размещения одних и тех же рупоров с индивидуально слишком маленькими отверстиями для рта в массивах (как известно из больших концертов), эти проблемы успешно устраняются, в то время как модульный рупор остается легким в транспортировке.

А если серьезно, то строительство начинается с рта; Длина или общий объем громкоговорителя в целом зависит от области шеи и импульса функции открытия. И. Э. Чем больше площадь шейки, за счет увеличения площади мембраны, использования большего количества драйверов или уменьшения отношения площади мембраны к раскрытию шейки, тем короче будет рог. В качестве крайнего случая имеется громкоговоритель, длина окружности которого соответствует длине волны самой низкой передаваемой частоты, а длина рупора равна нулю.

Вот почему басовые валторны обычно строят как так называемые складные валторны, т.е. ЧАС. Ось рупора, которая теоретически является прямой, изогнута один или несколько раз на 90 ° или 180 ° для оптимального использования (например) кубовидного объема корпуса. Отсутствие стоячих волн в корпусе не оказывает негативного влияния на линейность АЧХ; По словам Брюса Эдгара, это даже улучшает коэффициент искажения за счет ослабления гармоник. Однако следует ожидать отрицательного влияния на частоту верхнего предела. Однако следует отметить, что большое внимание уделяется механической устойчивости во время строительства, поскольку высокие переменные давления (особенно в случае промежуточных стенок складного рупора, которые могут действовать в противофазе!) Создают нагрузку на конструкцию.

преимущества

При подключении рупора к драйверу сопротивление излучения возрастает раньше по частоте, чем если бы тот же драйвер был излучающим. Однако окончательное значение радиационного импеданса одинаково в обоих случаях и зависит только от диаметра диафрагмы драйвера. В случае (высокочастотной) полной адаптации драйвера добавление звукового сигнала не приводит к большей эффективности. И наоборот, работа звукового сигнала за пределами регулируемой частоты свободного драйвера не имеет смысла. Для данного диаметра мембраны это ограничивает полезную верхнюю частоту рупора.

Тем не менее, многие рупоры имеют превосходный уровень эффективности, который более чем явно превосходит все другие концепции (закрытый ящик: от 0,1 до 2%, рупор до 50%). Определенные принципы усилителя с низким КПД или малой выходной мощностью (например, усилители класса A, также с электронными лампами ) могут разумно работать только с рупорными громкоговорителями.

При использовании широкополосного рупора (более десяти лет) этот выигрыш возможен только при использовании гораздо более эффективных драйверов, чем это обычно бывает со свободными радиаторами. С одной стороны, это возможно, потому что мембрана динамика в рупоре подвергается гораздо большей нагрузке и, следовательно, гораздо меньше отклоняется. Следовательно, воздушный зазор может иметь очень маленькую площадь поверхности, поэтому магнитное поле сильно концентрируется. Одного этого недостаточно, с другой стороны, с типичным рупорным драйвером вместо ферритов используются более качественные альнико или неодимовые магниты. Таким образом, типичный рупорный динамик обеспечивает характеристическое звуковое давление 100 дБ и более при свободной адаптации. Таким образом, звуковой сигнал служит только для дальнейшего снижения предела адаптации, так что работа выполняется адаптированным образом в широком диапазоне низких частот. И наоборот, средний драйвер с рупором будет разочаровывать, высокий уровень эффективности может быть достигнут только в узкой полосе намного ниже свободной адаптации (носовая характеристика), если вы попытаетесь добиться широкополосного излучения, уровень эффективности будет близким к значениям свободного излучения.

Из-за меньшего отклонения диафрагмы драйвера рупорная система вызывает меньшие нелинейные искажения и, что более важно, значительно меньшие интермодуляционные искажения. Их направленность, связанная с системой, играет решающую роль, особенно там, где нужно уделять особое внимание звуку (дальний ход) и / или где определенные области не должны подвергаться воздействию звука или только в ограниченной степени. Рупорные громкоговорители незаменимы для профессионального освещения больших площадей (стадионов) или объемов (залы).

недостаток

Рупорный громкоговоритель, Берлинская радиовыставка, 1929 г.

Рупорные громкоговорители, независимо от диапазона частот, сложны и, как правило, дороги в разработке и производстве. В частности, рупоры для низких частот либо чрезвычайно велики (например, длина 3 м с площадью рта 10 м²), либо требуют стены или угла комнаты в качестве расширенного звуковода, что позволяет уменьшить требуемые размеры (см. Выше под твердыми углами) . Однако это ограничивает выбор места и может привести к проблемам с режимами помещения .

Повышенная акустическая связь и повышенное излучение активной акустической мощности из-за улучшенной радиационной стойкости также работают наоборот (взаимно): резонансы помещения имеют сильное влияние на рупорный драйвер, в то время как непосредственно излучающее шасси практически не зависит от помещения, так что электрические или механические измерения на них можно проводить, как правило, без камеры поглотителя и без ухода в открытое поле .

Любой вид звукового сопровождения допускает стоячие волны и, следовательно, резонансы. Такие резонансы часто можно наблюдать в рупорах, и их очень трудно избежать, особенно в высокочастотном диапазоне. Вот почему были построены так называемые многоклеточные рога. Тем не менее, с прямыми излучателями обычно можно наблюдать значительно меньше резонансов.

Рупоры образуют акустический верхний проход с z. T. Чрезвычайно крутой перепад звукового давления. В группе эффекты задержки этого падения гораздо сильнее , чем у прямых излучателей.

При более низкой частоте отсечки акустическая нагрузка на мембрану значительно снижается. В частности, драйверы, оптимизированные для работы рупора, могут быть механически разрушены на этих частотах. Такие драйверы рупора никогда не должны работать без рупора, даже в тестовых целях. При включении усилителей или в случае перегрузки или из-за ошибок на выводах драйвера могут присутствовать сигналы с низкими частотами или даже с постоянной составляющей (хлопки или щелчки). Поэтому электрический фильтр верхних частот (по крайней мере, один последовательно включенный конденсатор) и крутой электронный фильтр верхних частот обычно неизбежны, со всеми отрицательными эффектами на групповую задержку.

Деформация шасси или динамика зависит не только от прогиба мембраны, даже при самых маленьких прогибах всегда остается остаточная величина деформации. Особо высокопроизводительные рупоры с сильным сжатием (напорная камера) имеют дополнительные искажения из-за нелинейного сжатия воздуха и нелинейных деформаций мембраны драйвера.

Рог превращает небольшую часть шеи в большую часть рта. Ситуация у устья такая же, как если бы использовался прямой излучатель того же размера, мембрана которого имеет форму волнового фронта на устье рупора. На длинах волн, которые малы по сравнению с устьем рупора, возникают явления связывания, которые на более низких частотах превращаются в сферическое излучение. Это еще больше сужает используемый частотный диапазон. Эти условия в значительной степени не зависят от контура рога. Б. также с так называемыми шаровидными рогами. Однако часто неправильно понимают, что такие рожки на рту воспроизводят ситуацию реальной сферической волны (то есть излучателя, который очень мал по сравнению с длиной волны) с его характеристиками, не зависящими от направления. Это не тот случай.

Так что есть ряд проблем с использованием рожков. С другой стороны, хороших прямых излучателей вполне достаточно в обычных жилых помещениях, и они даже способны генерировать уровни звука, разрушающие слух. Это шасси, которые благодаря своим сильным (и, следовательно, несколько более дорогим магнитам) генерируют опорные уровни 96 дБ SPL при входной мощности 1 Вт на расстоянии одного метра. Это, конечно, правда, что типичные продукты имеют очень низкий КПД по сравнению с уровнем звукового давления 86 дБ, то есть лишь десятой частью этого! При правильной конструкции, особенно в низкочастотном диапазоне (несколько путей), конструкции не слишком велики (<0,5 м³), которые воспроизводят очень низкие частоты (<20 Гц) без раздражающего звона. Кроме того, можно улучшить радиационную стойкость и, в то же время, стабильность уровня прямых излучателей за счет параллельного расположения (групп). Это ограничено тем фактом, что явление связывания началось раньше при больших габаритных размерах (но это также относится к рупорам). Обязательное техническое обоснование рупоров возникает в несколько больших помещениях (небольших залах), прежде всего с твитерами, которые из-за конструктивных требований небольшой массы диафрагмы драйвера и небольшого диаметра едва ли могут поглотить потери мощности более 10 Вт ( даже если всегда даются значительно большие числа) и, таким образом, ограничивают систему или даже выходят из строя в таких ситуациях. Поэтому типичный твитер без рупора может обеспечить непрерывный уровень звука только 100 дБ SPL, а твитер с рупором - около 115 дБ. Это более чем в 5,5 раз превышает звуковое давление ( L = 20 · log (5,65) дБ = 15 дБ) и поэтому отчетливо ощущается. Чем больше комната, которая должна быть покрыта звуком (вплоть до ситуации на открытом воздухе), тем больше шасси для более низких частот должно быть снабжено рогами по тем же причинам. Кроме того, на открытом воздухе вы должны использовать характеристику направленности, чтобы вообще иметь возможность достичь необходимого уровня звука. Поэтому приходится даже объединять целые батареи из 20 или более рупоров, при этом предпочтение отдается вертикальным башням или штабелям. Однако можно заметить, что на самых низких частотах по-прежнему используются прямые излучатели из-за их компактных размеров, даже на открытом воздухе, часто очень параллельных, например B. Шасси 40 или 80 с диаметром 18 дюймов. Характеристика направленности такого большого количества излучателей может быть дополнительно сформирована с помощью электронных схем задержки, чтобы улучшить звуковое давление в желаемой области и минимизировать излучение в нежелательных областях. Это работает по аналогии с восьмеркой или кардиоидными характеристиками микрофонов.

Типы рожков

Гипербарический громкоговоритель

Основное различие между различными рогами заключается в их геометрии, т.е. ЧАС. за счет увеличения диаметра рога от горла до ротового отверстия. Определяющим признаком нижнего предела частоты звукового сигнала, который может быть достигнут, является размер отверстия для рта. Каждая из этих форм в основном представляет собой приближение для решения уравнения в частных производных для распространения звука при известных граничных условиях . Волновое уравнение эффективно сводится к одномерной задаче. Во всех аналитических подходах, то практически конечная длина рупора остается открытой проблемой, так что переход звукового излучения из рога воронки в окружающем пространство необходимо постулировать специальным .

Экспоненциальный рог

Самый старый и самый распространенный вид рога - экспоненциальный рог. Площадь поперечного сечения рога от шеи до рта увеличивается по экспоненциальной функции:

${\ Displaystyle A _ {\ mathrm {M}} = A _ {\ mathrm {H}} \ cdot e ^ {kx}}$

С

${\ Displaystyle А _ {\ mathrm {M}}}$ = Поперечное сечение рога рожка

${\ Displaystyle А _ {\ mathrm {H}}}$ = Поперечное сечение шейки рога

${\ displaystyle e}$= Число Эйлера

${\ displaystyle x}$ = Длина воронки

${\ displaystyle k}$как результаты постоянных воронки из функции , где на нужный файл нижний предел частоты рупора и на скорости звука обозначает.${\ Displaystyle к = {\ гидроразрыва {е _ {\ mathrm {g}} \ cdot 4 \ pi} {c}}}$${\ displaystyle f _ {\ mathrm {g}}}$${\ displaystyle c}$

Многие классические рупорные громкоговорители используют этот метод. Экспоненциальный рупор предполагает, что звук распространяется в рупоре в виде плоской волны и, таким образом, отделяется от устья рупора.

Рупор сферической волны

Контур рупора сферической волны представляет собой трактрису , что означает, что в конструкции предполагается сферическая форма волны. Это следует из идеи, что форма волны всегда должна быть перпендикулярна стенкам рупора.

Конический рог

Акустический импеданс на шейке конического рупора, который в значительной степени пропорционален частотной характеристике в нижнем частотном диапазоне рупора, показывает преждевременное падение в сторону более низких частот. В зависимости от выбранной геометрии сравниваемого конического рупора, который идентичен по длине, диаметру шейки и рта, и экспоненциального рупора, нижняя предельная частота конического рупора по крайней мере на две октавы выше, чем у экспоненциального рупора. Однако пульсация в нижнем частотном диапазоне значительно ниже.

Другие контуры рупора или правила определения площадей поперечного сечения либо приводят к менее благоприятным адаптациям импеданса, либо к гораздо более волнообразной частотной характеристике.

литература

• Гётц Швамкруг, Р. Ремер: Поэзия и правда громкоговорителя. 3-е издание, Elektor-Verlag, Aachen, 1989, ISBN 3-921608-83-X
• Вольфганг-Йозеф Тенбуш: Основы громкоговорителей. 1-е издание, Майкл Э. Бриден Верлаг, Оберхаузен, 1989, ISBN 3-9801851-0-9
• Берндт Старк: Руководство по громкоговорителю. 7-е издание, Richard Pflaum Verlag GmbH & Co.KG, Мюнхен, 1999, ISBN 3-7905-0807-1
• Михаэль Дикрайтер, Фолькер Диттель, Вольфганг Хёг, Мартин Вёр (ред.): Handbuch der Tonstudiotechnik , 8-е, исправленное и расширенное издание, 2 тома. Вальтер де Грюйтер, Берлин, 2014 г., ISBN 978-3-11-028978-7
• Майкл Эбнер: Руководство по технологии громкой связи. 1-е издание, Elektor-Verlag, Aachen, 2002, ISBN 3-89576-114-1
• Р. Бекманн: Руководство по технологии громкой связи, практика основных компонентов. 2-е издание, Elektor-Verlag, Aachen, 1990, ISBN 3-921608-66-X

веб ссылки

• Объяснение рупора громкоговорителя в www.ITWissen.info