Текст книги "Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 16 страниц)

В заключение отметим, что номинальная мощность громкоговорителя входит в его название – первая цифра указывает величину Р_{зв. ном} в ваттах (строго говоря, в вольтамперах). Так, например, название 1ГД-9 обозначает: «громкоговоритель динамический на 1 ва». В название может входить еще и третья буква – «В» – высокочастотный и «Р» – рупорный и др. Последняя цифра – это конкретный тип громкоговорителя. Вторая группа букв (они встречаются редко) указывает завод-изготовитель (РРЗ – рижский радиозавод; завод ВЭФ и др.).

До сих пор речь шла о подводимой к громкоговорителю электрической мощности, то есть о том, что получает наш переводчик. Ну, а что он дает взамен? Как использует полученную электроэнергию? Насколько эффективно превращает ее в звуковую? Скажем прямо – хвастаться здесь нечем.

Коэффициент полезного действия динамического громкоговорителя очень мал: 2–3 %. Это значит, если подвести к звуковой катушке электрический сигнал мощностью 1 вт, то диффузор создает звуковые волны мощностью всего в две-три сотых ватта. О продукции громкоговорителя можно судить по среднему звуковому давлению, отнесенному к расстоянию 1 м [4].

На рис. 27 приведен график, который показывает, какую мощность должны получать громкоговорители, чтобы они были достаточно хорошо слышны в том или ином помещении.

Рис. 27. Мощность, необходимая для того, чтобы озвучить то или иное помещение, зависит от его объема, а также от необходимого уровня громкости и уровня внутренних шумов.

Этот график, конечно, нельзя считать непоколебимой нормой – он дает лишь примерное представление о необходимой мощности. Так, для помещения, сильно поглощающего звук (комната, заставленная мебелью, заполненный зал и т. д.), может понадобиться значительно более мощный звук, чем для такого же пустого. Многое зависит от уровня шумов, возникающих в самом помещении или проникающих извне.

Например, когда в вашем классе идет шумный спор, то вы не услышите громкоговоритель, если к нему подвести мощность 2–3 вт. Но когда шум стихнет, то и слабый громкоговоритель, к которому подводится 0,25 или даже 0,1 вт, будет слышен достаточно громко (рис. 29).

Заканчивая разговор о мощности громкоговорителя, сделаем три заключительных замечания.

Первое. Характеризуя работоспособность громкоговорителя, мы всегда будем приводить только величину его электрической мощности, то есть мощности электрического сигнала, подводимого к громкоговорителю. Если известен к. п. д., то в случае необходимости можно легко определить и акустическую мощность.

Второе. В табл. 8 указана номинальная мощность – тот «потолок», выше которого начинается область сильных нелинейных искажений. Ясно, что этот «потолок» должен соответствовать самым громким звукам. Но статистика показывает, что самые громкие звуки бывают не так уж часто, и поэтому средняя мощность, которая подводится к громкоговорителю, а значит, и средняя мощность звуковых волн оказываются обычно в 5—10 раз меньше номинальной. Иногда особенно экономные конструкторы, учитывая, что пиковая (максимальная) звуковая мощность – явление редкое, допускают некоторую перегрузку громкоговорителя. Пример: к громкоговорителю с номинальной мощностью 1 вт подводят сигнал с пиковой мощностью 1,5 вт, а то и 2 вт. В такие моменты нелинейные искажения очень велики и единственным утешением является то, что подобное «безобразие» бывает очень редко. Там, где главной задачей является высококачественное звучание, даже самые кратковременные перегрузки недопустимы.

Третье. В ряде случаев для снижения К_н.и применяются громкоговорители с запасом мощности. Пример: к пятиваттному громкоговорителю подводят 3 вт. Уменьшения звуковой мощности при этом не происходит: электрический сигнал мощностью 3 вт с помощью пятиваттного громкоговорителя создает такую же звуковую мощность, как и с помощью трехваттного.

К этим замечаниям нужно было бы добавить еще одно: о влиянии на мощность громкоговорителя его внешнего оформления. Однако вопрос этот настолько важен, что для его освещения не стоит ограничиваться коротким замечанием – здесь есть о чем рассказать подробно.

Внимание – ящик!

Радиолюбители могут создать свой вариант знаменитой андерсеновской сказки о голом короле. Главным героем этой сказки будет электродинамический громкоговоритель – Его Величество Динамик Первый. Это действительно король-динамик – с роскошной королевской частотной характеристикой (без завалов), с «заграничным» резонансом (резонансная частота составляет 10 гц, то есть выходит за границу слышимого звука) и, конечно, с аристократической степенностью (хорошее демпфирование).

Включили радиолюбители громкоговоритель, слушают, как поет Его Величество, слушают и громко восхищаются:

«Ах, какой тембр!»

«Ах, какие басы!»

«Ах, как плачут скрипки!..»

А каждый, между прочим, про себя думает, что никаких басов, никакого особого тембра не слышно, что звучит король-динамик очень плохо.

Думают так радиолюбители, а сказать об этом стесняются – скажешь, а тебя же засмеют, и выйдет, что ты ничего в динамиках не понимаешь…

И вдруг, почти так же, как и у Андерсена, к радиолюбительской компании подходит мальчик ясельного возраста и говорит такие слова: «Плохо у вас, дяденьки, радио играет, а все потому, что без коробочки». Тут все замечают, что громкоговоритель в спешке действительно забыли вставить в ящик. Вспоминают, что «без одежды» ни один динамик, даже Его Величество Король, не будет хорошо звучать, не сможет показать всех своих достоинств.

Мы с вами не будем следить за дальнейшим развитием событий в сказке «Голый Динамик», а лучше выясним, каким образом и в какой степени внешнее оформление, в том числе и ящик, влияет на качество звучания [5].

Начнем с того, что громкоговоритель может сам ослаблять свое же собственное излучение. В тот момент, когда диффузор сжимает перед собой воздух, двигаясь вперед, сзади диффузора создается разрежение. И наоборот, в момент отступления разрежение создается впереди диффузора, а сжатие – позади. Иными словами, диффузор одновременно излучает две звуковые волны, причем сдвинутые по фазе на 180° (рис. 3, в). Если обе эти волны с тем же сдвигом фаз попадут к нашему уху, то мы вообще ничего не услышим – противофазные волны просто скомпенсируют друг друга (рис. 28, б).

Рис. 28 Акустический экран удлиняет путь обратной звуковой волны (пунктир), создает дополнительный сдвиг фаз и превращает противофазную обратную волну в синфазную.

В реальном случае полного «взаимного пожирания» звуковых волн не происходит хотя бы потому, что в направлении вперед громкоговоритель излучает более сильную волну. А вот резкое ослабление звука из-за противофазного излучения мы наблюдаем на средних и особенно на низших звуковых частотах.

Рисунок поясняет, почему это неприятное явление в основном затрагивает область низших звуковых частот. Вы видите, что волна, возникающая сзади диффузора, приходит к слушателю более длинным путем (пунктирные линии), то есть с некоторым опозданием. На высших звуковых частотах, когда период мал, из-за этого опоздания появляется дополнительный сдвиг фаз, и практически получается, что враги становятся друзьями: обе, в прошлом противофазные, волны действуют согласованно, в фазе. На средних и особенно на низших частотах опоздание составляет лишь небольшую часть периода, и заметного дополнительного сдвига фаз не получается. Таким образом, из-за противофазного излучения падает звуковая мощность (по статистике она в основном приходится на средние частоты) и появляется сильный завал частотной характеристики в области низших частот.

Способ устранения этих недостатков напрашивается сам собой: нужно просто искусственно увеличить опоздание задней волны. Сделать это проще всего с помощью акустического экрана, который радиолюбители иногда неправильно называют отражательной доской. Размеры и форма экрана подбираются так, чтобы создать необходимое опоздание, необходимый дополнительный сдвиг фаз передней и задней волн на всех частотах. Лучшие результаты дает акустический экран с несимметричным расположением громкоговорителя.

Материалом для экрана может служить толстая (5—10 мм) фанера или доска; снаружи его закрывают декоративной тканью. Размеры экрана выбирают по графику рис. 29, 1, а с учетом нижней граничной частоты. Не имеет смысла рассчитывать акустический экран, так же как и другие «одежды», на те частоты, которые громкоговоритель не в состоянии воспроизвести.

Некоторые преимущества дает установка треугольного экрана в верхнем углу комнаты (рис. 29, 1, г). В этом случае сами стены в какой-то степени увеличивают действующую поверхность экрана и улучшают воспроизведение низших частот. И все же акустический экран «в чистом виде» применяют сравнительно редко.

Наиболее привычное внешнее оформление громкоговорителя – ящик – можно рассматривать как складной экран: он также создает нужное опоздание задней волны (рис. 28). Ящик – это довольно сложная акустическая система, чем-то напоминающая резонаторы музыкальных инструментов. От размеров, формы и материала ящика во многом зависит качество звучания.

Так, например, ящик с открытой задней стенкой можно приравнять к обычному акустическому экрану (рис. 29, 1, б, в). Ящик с закрытой задней стенкой уже по-другому влияет на частотную характеристику. Воздух в замкнутом объеме меняет упругость подвижной системы громкоговорителя и повышает ее резонансную частоту.

рис. 29, 1

Однако ящики с закрытой стенкой иногда все же находят применение. Правильно выбрав размеры такого ящика (график на рис. 29, 2, а) и заполнив весь его объем звукопоглощающим материалом, например минеральной, стеклянной или обычной хлопчатобумажной ватой, можно получить хорошую компенсацию за несколько подпорченную частотную характеристику. Такой ящик с звукопоглотителем будет отлично демпфировать громкоговоритель. Что же касается завала на нижних частотах, то его, как вы увидите дальше (стр. 130, рис. 33, 35, 36 и др.), можно будет в некоторой степени скомпенсировать.

Дальнейшим развитием идеи закрытого ящика является акустический фазоинвертор (фазовращатель). Он позволяет осуществить эффективное демпфирование с помощью звукопоглотителя, то есть снижает нелинейные искажения и в то же время резко улучшает частотную характеристику в трудной области – в области нижних частот. Фазоинвертор рассчитывают таким образом, чтобы на самых низших частотах, вблизи резонанса громкоговорителя, он обеспечил синфазное, то есть согласованное, излучение звука как от самого диффузора, так и от специального окна в нижней части ящика (рис. 29, 2, б, в, е, ж). Размеры ящика простейшего фазоинвертора можно определить по графику рис. 29, 2, г. Расстояние от осевой линии окна до ближайшей стенки ящика составляет 100–200 мм. Площадь окна при окончательной регулировке подбирается опытным путем с помощью подвижной заслонки. Значение такой регулировки иллюстрируется примером частотных характеристик на рис. 29, 2, д. Эти характеристики соответствуют трем разным положениям заслонки, закрывающей окно фазоинвертора.

рис. 29, 2

Для изготовления больших ящиков, в том числе и фазоинверторов, используют доски и многослойную фанеру от 8 мм и толще. Можно применить и более тонкий материал, в том числе фанеру толщиной 5 мм и даже 4 мм. Разумеется, и этом случае для ящика должен быть построен прочный каркас. В последнее время многие любители считают, что лучший материал для акустических ящиков – толстые плиты из прессованной стружки. Стенки ящика должны быть хорошо подогнаны, прочно скреплены шурупами и столярным клеем; все щели и трещины перед наружной покраской необходимо тщательно зашпаклевать. Помните, что дребезжание каких-либо частей ящика будет восприниматься как искажение звука. Если ящик предназначен для установки на полу, то под него нужно подложить прокладки из толстой (20–30 мм) резины. Высокочастотные громкоговорители рекомендуют сзади прикрыть плотными, лучше железными колпаками.

Фазоинвертор изнутри обязательно нужно покрыть звукоизолирующими материалами. Это может быть поролон, вата, пробка, войлок, многослойные покрытия из материи, картона, рубероида или битумной мастики. Толщина покрытия 10–40 мм.

В случае если в закрытом ящике или фазоинверторе установлено несколько громкоговорителей, то расчет по графикам (рис. 29, 2, г) производят, исходя из диаметра «суммарного диффузора». Чтобы приблизительно подсчитать этот диаметр, нужно сложить площади всех диффузоров и из полученной суммы извлечь квадратный корень.

На рис. 29 показаны некоторые акустические агрегаты – ящики, в каждом из которых установлено несколько громкоговорителей. На рис. 29, 3 схематически показано устройство агрегата радиолы «Люкс» («Дружба»), на рис. 29, 4 – один из агрегатов радиолы «Ригонда», а на остальных рисунках (5, 6) – самодельные акустические агрегаты, сконструированные радиолюбителями. О том, как громкоговорители какого-либо агрегата соединяются между собой и как они подключаются к источнику сигнала, будет рассказано дальше.

рис. 29, 3, 4

Вы уже, конечно, догадались, что использование нескольких громкоговорителей в одном акустическом агрегате нужно не только для того, чтобы получить большую номинальную мощность. Разумно комбинируя громкоговорители, можно получить весьма равномерную и широкую частотную характеристику. Хорошо, если «на общее ухо» работают высокочастотные и низкочастотные громкоговорители, в том числе несколько низкочастотных громкоговорителей с разными резонансными частотами.

Кроме повышения мощности и выравнивания частотной характеристики, «коллектив» громкоговорителей улучшает еще один показатель звуковоспроизведения – диаграмму направленности. Так же как и микрофон по-разному улавливает звук, идущий с различных направлений (рис. 22), громкоговоритель, в зависимости от направления, по-разному излучает звуковые волны. Диаграмма направленности громкоговорителя показывает, во сколько раз слабее звук, излучаемый в том или ином направлении, по сравнению со звуком, излучаемым вдоль главной оси вперед (перпендикулярно диффузору). Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости чем-то напоминает цветок с лепестками разной величины. С увеличением частоты «главный лепесток», направленный вперед, становится все более острым. Это значит, что если вы будете слушать громкоговоритель в стороне от главной оси, то получите значительно большую дозу частотных искажений, чем ваш товарищ, который сидит прямо перед громкоговорителем (рис. 72).

Острая диаграмма направленности имеет еще один недостаток: создает впечатление, что звук исходит из одной точки. Вообще-то говоря, это правда – звук действительно к нам в основном приходит только от диффузора громкоговорителя. Но в большинстве случаев обман будет казаться более естественным, чем такая правда.

При воспроизведении речи или сольного пения звук, идущий из одной точки, – естественное явление. Иногда даже кажется, что диктор или певец находится именно в том углу комнаты, где установлен громкоговоритель. А вот при воспроизведении музыки в исполнении ансамблей (оркестр, хор) трудно представить себе, что все музыканты и певцы сгрудились на небольшом пятачке сцены. В этом случае более естественным будет казаться объемный звук, не привязанный к той точке, где находится диффузор громкоговорителя.

Самая простая из популярных систем объемного звука называется системой ЗД (рис. 73). Ее можно встретить во многих магнитофонах, радиоприемниках и радиолах, выпускаемых в настоящее время.

Но бывает и так, что направленность громкоговорителя является его достоинством. В основном это относится к мощным источникам звука, установленным в больших залах или на площадях. Здесь зачастую приходится излучать звуковые волны в одном определенном направлении: например, от сцены в глубину зала. В этом случае обычно применяют рупорные громкоговорители или направленные звуковые колонки (табл. 9).

Рупорный громкоговоритель (рис. 14, 5) очень похож на уже знакомый нам диффузорный и в то же время принципиально отличается от него. Сходство в том, что и здесь и там источником звуковых колебаний является электродинамическая система (ее называют звуковой головкой), состоящая из магнита и звуковой катушки с диффузором. Главное различие связано с тем, что не только диффузор, но и сам рупор участвует в излучении звуковых волн и определяет главные характеристики громкоговорителя. Благодаря применению рупора, к. п. д. громкоговорителя значительно повышается и достигает 6–8 %.

рис. 14, 5

Долгое время среди рупорных динамических громкоговорителей самым популярным был десятиваттный Р-10. У любителей он получил название «колокольчик». Сейчас на смену ему пришел рупорный громкоговоритель 10ГРД-5 (первая цифра, как обычно, обозначает мощность). К этим громкоговорителям так же, как и к другим мощным излучателям, подводят низкочастотный электрический сигнал с напряжением 30 в, 120 в или 240 в (табл. 9). Это довольно большое напряжение, и его приходится подавать на звуковую катушку через понижающий трансформатор. В «колокольчике» и громкоговорителе 10ГРД-5 понижающий трансформатор находится прямо под кожухом и так же, как и другие ответственные детали, герметически закрыт. Это необходимо для того, чтобы громкоговорители, установленные на улице, безотказно работали при любой погоде.

Вас, по-видимому, интересует, зачем нужно подводить к громкоговорителю высокое напряжение, а затем понижать его с помощью трансформатора? Почему нельзя сразу подводить к громкоговорителю электрический сигнал с низким напряжением?

На второй вопрос хочется ответить вопросом: а для чего с электростанций мы передаем электроэнергию высокого напряжения и строим для этого специальные высоковольтные линии? Зачем сначала повышаем электрическое напряжение до десятков и сотен тысяч вольт, а затем понижаем его до 120 или 220 в? Делается все это для того, чтобы уменьшить потери энергии при передаче ее на большие расстояния.

Электрическая мощность в одинаковой степени зависит от тока и от напряжения. Поэтому одну и ту же мощность можно передать по линии при высоком напряжении и малом токе или, наоборот, при низком напряжении и большом токе.

Что выгоднее? Выгоднее передача энергии при небольшом токе: чем больше ток, тем сильнее он греет соединительные провода, тем больше электроэнергии теряется по пути и меньше ее приходит на конечную станцию. Перед тем как отправить электроэнергию в дальнее путешествие, мы для того и повышаем напряжение, чтобы уменьшить ток, а вместе с ним уменьшить и потери в линии передачи. Мощные рупорные громкоговорители, как правило, установлены на значительном расстоянии от источника электрического сигнала, и во избежание больших потерь этот сигнал выгоднее транспортировать, предварительно повысив его напряжение.

Тогда возникает другой вопрос: а почему нельзя это повышенное напряжение подавать сразу на звуковую катушку? Для чего нужен понижающий трансформатор? В качестве ответа проделаем небольшой расчет.

Если при мощности 10 вт подвести к звуковой катушке напряжение 120 в, ток в ней примерно будет равен 0,08 а (I = P: U, рис. 31, 8, б). По закону Ома определяем необходимое сопротивление катушки. Оно равно около 1500 ом (R = U/I), рис. 30, 5, ж).

рис. 30, 5

Сравнительно небольшой ток позволяет использовать для намотки весьма тонкий провод, например ПЭ = 0,05, каждый метр которого имеет сопротивление около 9 ом. Чтобы получить сопротивление 1500 ом на каркас звуковой катушки, нужно намотать более 170 м такого провода, и вся обмотка будет весить почти 3 г. Изготовить звуковую катушку с такими данными можно, но очень сложно. Куда проще применить трансформатор, который понизит напряжение, повысит ток и при этом во много раз уменьшит необходимую величину сопротивления звуковой катушки.

В качестве примера приводим данные звуковой катушки громкоговорителя Р-10: номинальная мощность 10 вт; номинальное напряжение на катушке около 4,5 в; номинальный ток в катушке около 2,2 а; сопротивление катушки z_зв-1000 около 2 ом (для постоянного тока сопротивление катушки R_зв = 1,7 ом); провод ПЭ = 0,21; длина провода 3,5 м; вес обмотки 0,8 г; число витков 39.

Попутно прикинем, каковы будут потери, если подводить к громкоговорителю сигнал низкого напряжения, то есть отказаться от понижающего трансформатора. Двухпроводная линия из провода диаметром 1 мм протяженностью всего 50 м имеет сопротивление около 2 ом. При токе 2,2 а потери на этой линии составят почти 10 вт (P = I²·R). То есть для того чтобы громкоговоритель получил 10 вт, в линию нужно подать 20 вт – мы вынуждены мириться с потерей половины энергии. В то же время при напряжении 120 в при токе 0,08 а, потери не будут превышать 0,15 вт, то есть 1,5 % от передаваемой мощности.

Подведем итоги. При передаче электроэнергии, в том числе и низкочастотного сигнала для громкоговорителя, на большие расстояния нужно повышать напряжение, чтобы уменьшить потери. К громкоговорителю нужно подводить напряжение, пониженное с помощью трансформатора, так как только в этом случае можно применять простые по конструкции и надежные катушки с малым сопротивлением.

Кроме того, применение трансформатора дает еще одно преимущество: сделав первичную обмотку секционированной, можно подводить к ней различные напряжения; в нашем примере 30 в, 120 в, 240 в. Благодаря секционированной обмотке мы фактически имеем три трансформатора с разным соотношением витков, то есть с разными коэффициентами трансформации – 0,15 (при повышении напряжения 7), 0,04 (25) и 0,02 (50).

Некоторые рупорные громкоговорители (10ГДН-1, 25ГДН-1, ДГР-25) имеют круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, то есть равномерно излучают во все стороны (рис. 14, 7, а). Такие громкоговорители обычно устанавливают в парках, скверах, на стадионах.

рис. 14, 7

В последние годы наряду с мощными рупорными излучателями широко применяются направленные и ненаправленные звуковые колонки (рис. 14, 2, табл. 9). В них используются обычные диффузорные громкоговорители, подключенные ко вторичной обмотке понижающего трансформатора. Последняя буква в названии колонки означает вид внешнего оформления: 1 – металлическое оформление, 2 – деревянное.

рис. 14, 2

Звуковая колонка весьма проста по устройству, и ее довольно легко изготовить своими силами.

При подключении громкоговорителей звуковой колонки к трансформатору, точно так же, как и в любом другом случае включения совместно работающих громкоговорителей, необходимо произвести их фазировку (рис. 14, 3).

рис. 14, 3

Иными словами, нужно добиться того, чтобы диффузоры всех громкоговорителей двигались согласованно, синфазно. Фазировку можно выполнить, если подключать громкоговорители постепенно, по одному, и, меняя местами провода, по которым подводится низкочастотное напряжение, прислушиваться, в каком случае агрегат работает лучше. Фазировку можно осуществить и с помощью низковольтного источника постоянного тока, например с помощью гальванического элемента на 1,5 в. Громкоговорители между собой нужно соединить таким образом, чтобы при подключении к элементу все диффузоры отклонялись в одну и ту же сторону (рис. 14, 3, б).

Все члены «микрофонного семейства» – звукосниматели, магнитные головки, динамические, угольные, электромагнитные и другие типы микрофонов – дают на выходе электрический сигнал весьма небольшой мощности. Обычно мощность электрической копии измеряется тысячными, а чаще миллионными долями ватта. В то же время для нормальной работы воспроизводящих приборов – громкоговорителей – нужны мощности, измеряемые единицами, десятками, а иногда и сотнями ватт. Иными словами, для того чтобы «накормить» громкоговоритель, нужно иметь мощность в миллионы раз большую, чем может дать микрофон или кто-либо из его «родственников». Из этого трагического несоответствия вместо «ахов» и «охов» нужно сделать простой и деловой вывод – между переводчиками, воспринимающими звук, и переводчиками, воспроизводящими его, необходимо включить усилитель электрических сигналов.