Рупорные АС большие и маленькие

Полки и напольники, брендовые и Дуй.
Нас немного, но мы громкие!

5 симпатий

Рупор и его магия

Наверное, первый вопрос, на который народ ждет ответа: Действительно ли звучание громкоговорителя через рупор лучше, чем скажем при его фазоинверсном или закрытом оформлении? Сразу разочарую. Я не разделяю мнения, что среди известных технических решений в аудио есть такие, которые имеют по каким то необъяснимым причинам лучшее звучание, чем другие.

Например, что должно звучать лучше межкаскадный трансформатор или переходная RC –цепь, если их передаточные функции одинаковы? На этот вопрос обоснованного ответа никто не дал! Тем не менее, у многих сложилось твердое убеждение, что межкаскадный трансформатор для звука лучше! Правильный же ответ на этот вопрос такой: трансформатор и RC –цепь равноправны, только в трансформаторе больше возможностей применить качественные в отношении передачи звука материалы, чем в конденсаторе и резисторах.

Любое передающее, усиливающее, преобразующее звук техническое решение, теоретически может передавать звуковой сигнал идеально, однако при практической реализации в этих решениях проявляются всякие недостатки. Эти недостатки вытекают не из принципа работы устройства, а предопределяются не идеальностью используемых материалов, несовершенством технологии изготовления т.п.

Для тех, кто проектирует аудиоаппаратуру, важным является именно то, что недостатки у каждого технического решения и их причины в случае их реализации разные. Именно, эту особенность эксплуатируют производители исходя из возможностей применения тех или иных материалов и технологий. Проиллюстрирую это на следующем примере. Мы знаем, что кинотеатральные установки должны создавать большое звуковое давления в огромных залах. В 1940 гг. усилителей большой мощности не было, по этому единственным решением было увеличение КПД громкоговорителей. Именно тогда получили распространение рупорные громкоговорители, КПД которых достигал 30 %. Применением рупорных громкоговорителей решалась проблема нехватки мощности усилителя. Для сравнения: КПД акустической системы закрытого типа составляет около 1%. Возникает вопрос, низкий КПД, это что принципиальный недостаток системы закрытого типа? Оказывается, нет! Если сделать сверхлегкий и одновременно сверхжесткий конус, а из корпуса системы удалить воздух, то акустическая система закрытого типа с КПД 30 % оказывается вполне реализуемой, причем в корпусе небольшого размера. Что же является препятствием для производства высокоэффективных систем закрытого типа? - отсутствие требуемых для этого материалов и технологий.

Итак, с технической точки зрения все принципы построения акустических систем равноправны. Однако равноправны ли они с эзотерической точки зрения? Почему рупорный громкоговоритель обеспечивает большую динамику и энергичность звучания, чем скажем обычные системы закрытого типа. Технических предпосылок этому ни каких нет. В этой связи я предлагаю самим поискать ответ на этот вопрос, а для этого доверьтесь своей интуиции, а также тем знаниям, которые вы почерпнете в публикуемых нами статьях.

А. Лихницкий

5 симпатий

Проектирование рупорных громкоговорителей.

“Horn Loudspeaker Design”, J. Dinsdale.
Wireless World, Mar 1974, pp. 19-24.

После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и «присутствия». В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно — теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.

Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв.м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечастотные рупоры имеют квадратное сечение и «свернуты» сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.

Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50 % — очень внушительное значение по сравнению с 2 -3 % фазоинверторного и меньше чем 1 % для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокая стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свернутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты.

Но, хотя иногда встречаются курьезные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свернута в корпус объемом всего 150-200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объем работы по изготовлению свернутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к «поточным» методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свернутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самодельщика или профессионала, для которых и предназначена данная статья.

Хотя ранние акустические граммофоны, фонографы, а также первые «электрические» преобразователи 20-30-х годов использовали рупоры самых разных видов, впоследствии прогресс этого вида оформления практически остановился. Конечно, отдельные фирмы производят рупорные громкоговорители, и редкие статьи в технической прессе вызывают временный подъем интереса, но, за исключением классических трудов Олсона (Olson), Беранека (Beranek) и еще нескольких публикаций, вышедших до 1940 года, информации, доступной желающим спроектировать и построить рупор, крайне мало. Данная статья преследует цель в какой-то степени удовлетворить интерес со стороны энтузиастов рупорного звучания.

После краткого исторического обзора в статье будет рассмотрена теория громкоговорителя с рупорной нагрузкой, а также объяснены отправные пункты, принимаемые во внимание при проектировании рупоров. Кроме того, будут изучены различные компромиссы, применяемые при проектировании, в особенности в области способов «сворачивания» и влияние этих компромиссов на качество звучания.

Предисловие

В течение многих тысяч лет известно, что, если звук пропустить через трубу с маленьким отверстием с одной стороны и большим — с другой, то он заметным образом усилится. С библейских времен человек использовал рога животных и другие встречающиеся в природе «рожки» как в качестве музыкальных инструментов, так и в качестве мегафона. В 1877 году Томас Эдисон приставил рожок из олова к своему примитивному фонографу, чтобы согласовать крошечные колебания диафрагмы с акустической нагрузкой в виде воздуха в помещении. У большинства людей термин «рупор граммофона» вызывает в воображении образ ранних граммофонов или фонографов, разработанных примерно между 1890 и 1912 годами, когда все использовали внешний рупор.

В тех рупорах использовалось множество профилей расширения: в самых ранних моделях, главным образом, прямой конический; в более поздних граммофонах этого периода использовали большие расширяющиеся рупоры с прямолинейной или изогнутой осью, в зависимости от длины и общего дизайна всего изделия. Анализ этих ранних рупоров, выполненный на основе современных знаний в области акустики, показывает, что в то время недостаточно хорошо понимали принцип действия рупора как акустического трансформатора. Это тем более удивительно, поскольку лорд Рэлей (Lord Rayleigh) проанализировал «передачу акустических волн в трубах изменяющегося сечения» в статьях №№ 265, 280 своего классического трактата «Теория Звука», изданного еще в 1878 году.

Лорд Рэлей в статье № 281 дал анализ прохождения звука через коническую трубу, а также сделал интересное заявление, что «если отрезок трубы изменяем, то проблема колебаний воздуха в его пределах вообще не может быть решена». В течение первых нескольких лет после публикации результаты лорда Рэлея имели лишь чисто научный интерес, который возрос к рубежу столетий в связи с появлением граммофонов, большинство из которых как раз использовали конические рупоры, как, например, в ранних моделях HMV (известные по рекламе с собакой, слушающей хозяина — His Master’s Voice).

После 1912 года множество производителей представило рупоры, свернутые в той или иной степени, чтобы поместить их внутрь корпуса граммофона. Эти модели из-за их компактности и пригодности в качестве элемента мебели активно присутствовали на потребительском рынке течение следующих 12 лет (даже в те далекие дни энтузиастам было не всегда легко убедить своих жен в том, что аппарат с торчащей из него здоровенной трубой является наилучшим украшением гостиной).

В начале 1920-х годов разработчики провели теоретические исследования (изначально основанные на работе лорда Рэлея), добиваясь воспроизведения полного звукового диапазона на приемлемых для домашнего использования уровнях громкости. Среди этих ранних исследований в Америке следует упомянуть работы Вебстера (A.G.Webster) в 1920, Ханны (C.R.Hanna) и Слепиана (J.Slepian) в 1924 и Фландерса (P.B.Flanders) в 1927. В Великобритании независимые исследования были опубликованы Вилсоном (P.Wilson) в 1926 в журнале The Gramophone, позже совместно с Веббом (A.G.Webb) в «Современных граммофонах и электрических громкоговорителях», а также Войтом (P.G.A.H. Voigt) в 1927.

Все эти исследования, кроме самого последнего, были основаны на экспоненциальном контуре, и были получены из утверждений статьи № 265 трактата Рэлея. Вебстер разработал приблизительную теорию для других типов профиля и показал, что самым оптимальным является экспоненциальный. Все эти исследования следовали из предположений о том, что: (а) поперечное сечение рупора — круг; (б) ось симметрии — прямая; (в) все фронты звуковой волны — плоские.

Однако если звуковую волну в горле рупора еще можно считать плоской, то ясно, что в устье она уже будет искривленной (проще всего это понять, представив себе в устье рупора надутый воздушный шарик). Вилсон, проведя в 1926 году анализ экспоненциального профиля на основе допущений из работы Рэлея, позже издал измененный вариант, исходивший из того, что фронт волны имеет сферическую форму и всегда пересекает контур и оси рупора под прямыми углами.

Это предположение, что кривизна фронта звуковой волны постепенно увеличивается от нулевого значения (соответствующему изначально плоской форме фронта в горле), удовлетворяет также условиям, указанным Ханной, Слепианом и, позже Крэнделлом (I.B.Crandall), что фронт волны, выходящей из открытого конца, эквивалентен создаваемому сферической поверхностью, а не плоским поршнем. Войт, однако же, начинает свой анализ с предположения о том, что фронт волны в пределах рупора сохраняет сферическую форму, причем эта сфера по всей длине имеет один и тот же радиус. Это предположение приводит впоследствии к профилю, основанному на кривой под названием трактриса. Как теоретические исследования, так и результаты тщательных прослушиваний позволяют предположить, что именно трактриса является оптимальным профилем для рупора. Математические основы экспоненциальных и «трактрисовых» кривых будут более подробно обсуждаться ниже.

В течение 1920-х, 30-х и 40-х годов экспериментаторы придумали массу способов сворачивания рупоров внутрь маленького корпуса граммофона, и записи Патентного Бюро свидетельствуют об изобретательности людей, в поиске совершенного звуковоспроизведения пытавшихся преодолеть крайне противоречивые условия. Эти проекты пользовались большей или меньшей степенью успеха в зависимости от множества факторов, включая характеристики самого громкоговорителя («драйвера»). Следует отметить, что они почти всегда имели квадратное или прямоугольное сечение, а ось рупора больше уже не была прямолинейной. Поэтому фактические характеристики и теоретический расчет совпадали лишь до определенной степени.

Появление в 1927 году громкоговорителя с подвижной катушкой и электронных усилителей стимулировали дальнейшее развитие рупоров, которые, будучи теперь механически не связанными со звукоснимателем, освободились от связанных с этим конструктивных ограничений. Многие модели головок были разработаны специально для рупорной нагрузки, и до Второй Мировой Войны интерес к другим видам оформлений, несмотря на их меньшие размеры, простоту изготовления и, как следствие, низкую цену, все же уступал рупорам, радикальным образом превосходивших все остальные в терминах музыкального реализма.

В это же время значительный вклад внесли разработки Войта в Англии и Клипша (Klipsch) в Америке. Особенно это касается последнего, предложившего изобретательный метод использования акустических свойств помещения прослушивания, в наше время считающийся классическим. Другие также экспериментировали с рупорными громкоговорителями, особенно Енох (J. Enoch) и Мордан (N. Mordaunt) (чей проект был впоследствии использован для корпусов Tannoy моделей Autograph и GRF). Лоутер (Lowther) использовал современные версии драйверов Войта с высоким значением магнитного потока, Роджерс (J. Rogers) создал среднечастотную «ленту» с рупорной нагрузкой, которая все еще расценивается многими как эталон звуковоспроизвения в этом диапазоне. Нельзя также пропустить вклад Краббе (H.J. Crabbe) и Балдока (R. Baldock) в более позднее время.

Однако нужно подчеркнуть, что многократные отражения, поглощения, резонансы и изменения направления, свойственные свернутым рупорам, вместе с непредсказуемостью работы некруглых секций неизбежно дают расхождение с поведением прямого круглого рупора, на модели которого основывался расчет.

С недавних времен наблюдается некоторый всплеск в популярности рупоров, возможно вызванный стремлением к «совершенному качеству звуковоспроизведения», и есть многие, кто надеются, что эта тенденция сохранится.

ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Следующий раздел имеет дело преимущественно с экспоненциальным контуром, который является основной кривой расширения, используемой в большинстве высококачественных рупорных громкоговорителей, а также трактрисой, формула которой, хотя и более сложна, также содержит экспоненциальную компоненту. Более того, две эти кривые фактически идентичны на отрезке от горла до примерно середины рупора.

Образующая

Теория конического рупора была изначально разработана лордом Рэлеем, но первые серьезные попытки определить практическую формулу для экспоненциального рупора не были сделаны вплоть до 1919 года и даже позднее. Основные формулы передачи звуковых волн через рупор были даны в современных терминах Сальмоном (V. Salmon) и другими. Беранек приводит графики акустического сопротивления в горле рупора в зависимости от частоты для нескольких «бесконечных» рупоров разных профилей, но с одинаковым сечением горла. Эти данные приведены на рис. 1.

Можно показать, что для оптимальной нагрузки драйвера громкоговорителя комплексное сопротивление в горле рупора должно быть полностью активным, а также сохранять свое значение в рабочем диапазоне частот. Иными словами, распространение звука должно быть «функцией мощности». Изучив кривые на рис. 1, можно установить, что наиболее близко удовлетворяют этим условиям кривые экспоненциального и гиперболического профиля.

Рис. 1. Зависимости активных и реактивных акустических сопротивлений от частоты в горле рупоров с различными образующими, имеющих бесконечную длину.

Следующее условие, которое должно быть удовлетворено — минимальные искажения в горле рупора, вызванные «воздушной перегрузкой». Когда звуковая волна распространяется в воздухе, возникает ряд гармоник, искажающих форму волны. Это происходит, потому что, если равные положительные и отрицательные изменения давления действуют на некую массу воздуха, изменения объема не будут равными; изменение объема вследствие увеличения давления будет меньшим, чем из-за равного по величине уменьшения давления. Быстрые расширения и сжатия воздуха, вызванные распространением звуковых волн, происходят по адиабатическому закону, то есть отсутствует передача тепла. Таким образом, связь давления и объема описывается формулой:

где p — давление, V — объем, γ — постоянная адиабаты (приблизительно 1.4 для воздуха в нормальных условиях). В графическом виде механизм возникновения искажений проиллюстрирован на рис. 2. При равных по модулю изменениях объема изменение давление оказывается разным, что и приводит к искажениям.

Если бы рупор представлял собой цилиндрическую трубу, искажения увеличивались бы по мере распространения волны в сторону устья. Однако, в случае расширяющегося рупора по мере удаления от горла амплитуда давления волны уменьшается. Поэтому для минимальных искажений рупор должен расширяться резко, чтобы амплитуда давления волны уменьшалась как можно быстрее после того, как звуковая волна покинет горло. С этой точки зрения очевидно, что параболические и конические контуры дают наименьшие искажения из-за воздушной перегрузки, в то время как гиперболический рупор, напротив, даст самые большие искажения, потому что для равного уменьшения давления звуковой волне потребуется преодолеть большее расстояние.

Рис. 2. Соотношение между давлением и объемом воздуха в случае адиабатического сжатия/расширения.

Дальнейшее изучение рис. 1 показывает, что акустическое сопротивление гиперболического рупора находится в пределах 10 % от своего предельного значения в более широком диапазоне частот, чем у экспоненциального рупора. По этой причине гиперболический рупор обеспечивает лучшие условия согласования нагрузки с драйвером. Однако, ввиду значительно более высоких искажений в гиперболическом рупоре, экспоненциальный профиль (или одна из его производных) выбирается как наиболее удовлетворительный компромисс между гиперболическими и коническими контурами.

В тех случаях, где требуется использовать преимущества длинных медленно расширяюшихся рупоров без сопутствующих высоких искажений, Олсон рекомендует использовать несколько разных экспоненциальных участков, первый из которых (возле горла) должен быть коротким, но расширяться очень резко, чтобы минимизировать искажения. Далее следует более длинная секция с меньшим коэффициентом расширения, после которой идет основная часть рупора, расширяющаяся очень медленно. Клипш также упомянул эту технику в своей статье, посвященной угловому рупору, называя ее «резиновое горло». Акустический импеданс устья каждой из секций рассчитан таким образом, чтобы соответствовать импедансу горла следующей секции. Этим способом могут рассчитываться практически любые соотношения между импедансами в зависимости от частоты, однако, ввиду сложности этой процедуры, дополнительные усилия по расчетам не всегда оправданы.

Площадь устья

Акустические активное и реактивное сопротивления для экспоненциального рупора в графическом виде представлены на рис. 3. Видно, что сопротивление имеет полностью реактивный характер ниже частоты, определяемой по формуле:

где: с — скорость звука; m — постоянная расширения, которая фигурирует в основной формуле профиля экспоненциального рупора:

где: Sx — площадь на расстоянии x от горла; ST — площадь горла.

Рис. 3. Активное и реактивное акустическое сопротивление экспоненциального рупора

Частота среза fc, является самой низкой частотой, при которой рупор передает акустическую мощность, поэтому постоянная расширения определяет низшую воспроизводимую частоту конкретного рупора. Постоянная расширения может быть рассчитана для любой выбранной частоты среза, после чего может быть построен профиль рупора. Вышеупомянутое утверждение полностью справедливо только для рупоров бесконечной длины. В рупорах, как и в цилиндрических трубах, фронты волн, чья длина превышает диаметр устья, имеют свойство отражаться в обратном направлении, в результате чего возникает интерференция с последующими волновыми фронтами. Также как и для горла рупора, для устья должно выполняться условие активного характера сопротивления среды в рабочем диапазоне частот. Беранек показал, что для того, чтобы сопротивление излучению в устье носило активный характер, должно выполняться условие C/λ > 1, где C — окружность устья, а λ — длина волны на самой низкой воспроизводимой частоте. Если устье рупора имеет некруглую форму, условие будет аналогичным, но для эквивалентной площади устья. То есть, если C = 2πrm > λc, тогда:

где: λc — длина волны на частоте среза; rm — радиус устья; Sm — площадь устья. Таким образом, для рупора квадратного сечения должно обеспечиваться условие, чтобы площадь устья превышала:

Ханна и Слепиан исследовали поведение фронтов звуковой волны в устье рупора с различных точек зрения и пришли к выводу, что минимальные отражения наблюдаются при наклоне профиля 45° (то есть вписанный угол 90°). Так будет, если окружность устья равна длине волны на частоте среза. Заодно это иллюстрирует важность отличия между значением постоянной расширения, используемым для вычисления экспоненциального увеличения площади, и тем, которое используется при прорисовке реального профиля. Графики на рис. 4 (по данным Олсона) иллюстрируют эффект от сокращения длины рупора против идеального значения.

Рис. 4. Поведение «укороченных» рупоров. Отражения в устье вызывают пики и провалы в АЧХ возле частоты среза

Когда окружность устья становится меньше, чем длина волны, отражения в устье вызывают нежелательные пики и провалы амплитудно-частотной характеристики в районе нижней граничной частоты. Таким образом, если размеры устья в проекте сильно ограничены, то, как правило, предпочтительно увеличить нижнюю граничную частоту до значения, соответствующего размеру устья, чем получить неравномерность в области баса, проиллюстрированную на рис. 4.

Фронт волны

До последнего момента предполагалось, что последовательные фронты волн остаются плоскими в процессе их распространения через рупор. В прямой круглой трубе это действительно так: фронт волны должен быть перпендикулярен к оси и стенкам (если бы фронт импульса приближался или удалялся от стенок, энергия, соответственно, поглощалась или излучалась; с другой стороны, сложный фронт, состоящий из первоначальной волны и ее отражений от стенок будет перпендикулярен к стенкам). Таким образом, фронты импульса, переданные по цилиндрической трубе, будут плоскими, в то время как фронты, переданные через конической рупор, будут сферическими. Ясно, что фронт волны, выходящей из экспоненциального рупора, будет в какой-то степени искривлен, и что обычные вычисления, сделанные из предположения, что фронт волны плоский, будут заведомо ошибочными. Практически реальная нижняя частота среза будет несколько отличаться значения, полученного теоретически, хотя погрешность профиля рупора при этом не будет чрезмерной.

Не совсем верно будет предполагать, что площади последовательных фронтов расширяются строго по экспоненциальному закону, поскольку любой выбранный профиль будет сам по себе определять форму фронтов волны, и вообще эта форма будет изменяться от первоначальной. Вилсон исходил из предположения о том, что фронты имеют сферическую форму, причем их кривизна меняется от ноля (плоский фронт) в горле рупора. На этом основании он рассчитал измененный контур, который находится внутри строго экспоненциального и очень близок к нему. Если, например, сделать «истинно экспоненциальный» рупор способом папье-маше, то после «усушки» форма станет очень близкой как раз к модифицированному профилю Вилсона. Однако, главное его утверждение, что фронты являются сферическими и изменяют свою кривизну, ни в коем случае не означает, что так и есть на самом деле.

Образующая в виде трактрисы

Войт в своем патенте 1927 года основывался на более простом предположении, что форма фронтов волны в пределах рупора является сферической, причем радиус сферы в процессе распространения неизменен на всем протяжении. Он обосновывал это предположение путем рассуждения, что, если кривизна фронта будет увеличиваться от нуля (плоская волна) в горле до некоторого значения в устье, то точки фронта, находящиеся на оси, будут перемещаться с более высокой скоростью, чем точки возле стенок рупора. Но, поскольку весь фронт должен перемещаться с одинаковой скоростью, равной скорости звука, то и форма фронта может быть только сферической и постоянного радиуса. Это требует, чтобы контур рупора являлся трактриксой.

Трактрикса — плоская кривая, прочерченная грузом, который тянут за веревку, причем тянущий человек перемещается по прямой линии, не проходящей через груз. Это

— не кривая «метода погони» или траектория ракеты, которая стремится к убегающей цели, как часто ошибочно считают. Длина трактриксы, соответствующей устью с окружностью λc, может быть выражена через длину волны, соответствующую нижней граничной частоте:

где у — радиус.

Эквивалентная экспонента:

Обе эти кривые изображены на рис. 5.

Видно, что трактрикса имеет доминирующий показательный компонент, который становится менее существенным по мере приближения к устью. Для первых 50 % длины экспоненциальный контур и трактрикса для одной и той же частоты среза и площади горла фактически идентичны, после этого трактрикса начинает расширяться гораздо быстрее, пока не достигнет полностью «раскрытого» устья (вписанный угол 180°). Ввиду сложного характера формулы, лучший способ строить трактриксу — графический. Полученная таким образом кривая после некоторого сглаживания (для устранения неравномерностей, связанных с графическим способом построения) может использоваться для определения ординат точек контура рупора.

Рис. 5. Сравнение образующих в виде экспоненты и трактрисы.

В то время, как трактриса заканчивается, когда угол между рупором и осью составляет 90° (вписанный — 180°), обычная экспонента продолжает идти в бесконечность в обоих направлениях. Таким образом, «трактрисовый» рупор оказывается короче экспоненциального с равными по размеру горлом и устьем.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия экспоненциального рупора определяется большим числом параметров, всестороннее рассмотрение которых было проведено Олсоном. Типичная эффективность басовых рупоров достигает 50 %, в то время как средне-и высокочастотные могут иметь КПД более 10 %. Эти цифры смотрятся очень выигрышно на фоне фазоинверторов (2-5 %) и закрытых ящиков (как правило, менее 1 %). Исключительно высокая эффективность рупорных громкоговорителей вовсе не означает, что их главное достоинство — возможность использовать усилители на небольшой мощности. Скажем, некоторые усилители с выходными каскадами, работающими в классе B, с рупорами могут создавать, напротив, большие уровни искажений, поскольку такой усилитель будет работать при небольших уровнях на выходе, когда уровень искажений типа «ступенька» будет относительно высоким.

Принципиальным преимуществом, следующим из высокой чувствительности, является то, что амплитуда перемещения диафрагмы головки громкоговорителя будет существенно меньшей, чем для всех остальных видов оформлений. Поэтому резко снижаются эффекты, вызванные нелинейностью магнитного поля и подвеса, кроме того, диффузор оказывается менее склонным к возникновению зонного эффекта. Таким образом, относительно высокие искажения, присущие головкам, оказываются сведенными к минимуму, и, поскольку рупор сам по себе искажений не вносит, излучаемый звук оказывается очень высокого качества.

Дополнительное преимущество, получаемое от уменьшения амплитуды смещения диффузора, состоит в том, что определенные виды интермодуляционных искажений, возникающие в результате изменения объема воздуха между диффузором и горлом рупора, также могут быть снижены до незначительных величин.

Настройка предрупорной камеры

Полость, неизбежно присутствующая между диафрагмой динамика и горлом рупора, играет важную роль при разработке рупорных систем, поскольку она может быть использована для ограничения максимальной воспроизводимой частоты. Нижняя граничная частота может быть установлена с достаточно высокой точностью, исходя из коэффициента расширения рупора в сочетании с величиной площади устья. Верхний же предел частоты определить труднее, поскольку он зависит от:

а) неодинаковых расстояний между разными участками диафрагмы и горла рупора;

б) внутренних переотражений и дифракционных эффектов внутри рупора, особенно если он — свернутый;

в) характеристик самой головки в области высоких частот;

г) эффективности полости между диафрагмой и горлом, выступающий в качестве фильтра низких частот.

Можно показать, что полость фиксированного объема представляет собой акустическое реактивное сопротивление величиной

где: Sp — площадь диффузора; V — объем предрупорной камеры; ρ — плотность воздуха; c — скорость звука; f — частота.

Когда полость расположена между диафрагмой и горлом, она ведет себя как емкость, «шунтирующая» сопротивление собственно горла, поэтому при выборе корректных параметров комбинация полости и горла работает как фильтр низких частот, частота настройки которого определяется равенством комплексных сопротивлений полости и горла,

где: ST — площадь горла; f — требуемое значение верхней граничной частоты.

Отсюда

Объем предрупорной камеры может быть теперь рассчитан таким образом, чтобы обеспечить спад характеристики на высоких частотах еще до тех значений, когда начинают проявляться трудноопределяемые эффекты (а) и (в), описанные выше.

Дополнительное преимущество, получаемое при использовании предрупорной камеры, настроенной так, чтобы предотвратить прохождение средних и высоких частот в басовый рупор, состоит в том, что эти частоты гораздо лучше воспроизводить с противоположной стороны диффузора, нагруженной на СЧ/ВЧ рупор, монтируемый на передней части громкоговорителя.

Более детальное обсуждение вопросов, связанных с практическим определением верхней и нижней границ полосы воспроизводимых частот, будет приведено далее.

Акустическое оформление обратной стороны головки громкоговорителя

Выше было высказано мнение об искажениях, вызванных нелинейностью процессов расширения и сжатия воздуха. Этот эффект еще более подчеркивается в том случае, когда динамик нагружен на рупор только с одной стороны, поскольку горло работает как активное акустическое сопротивление только при перемещении диафрагмы в одном («прямом») направлении. Когда же диафрагма движется в обратном направлении, она испытывает существенно меньшее сопротивление, вследствие чего увеличивается ее смещение. Идеальный способ устранить такие искажения состоит в том, чтобы нагрузить диафрагму с обеих сторон одинаковыми рупорами, либо использовать басовый рупор, работающий на «заднюю» сторону динамика, а спереди нагрузить диффузор фронтальным СЧ/ВЧ рупором.

Рис. 6. Эффект ограничения предрупорной камерой высоких частот

Альтернативный способ, используемый многими разработчиками, заключается в том, что обратная сторона диффузора нагружена на закрытую компрессионную камеру, которая создает примерно такое же сопротивление, что и рупор. Таким образом, компрессионная камера снижает эффекты нелинейности от неодинаковой нагрузки на разные стороны диафрагмы, а также обеспечивает «более удобную» нагрузку для диафрагмы — закрытая камера с обратной стороны диффузора сама по себе дает «индуктивный» характер сопротивления, что уравновешивает «емкостное» сопротивление, которое представляет собой горло рупора на низких частотах. Клипш утверждает, что объем компрессионной камеры определяется, как площадь горла, умноженная на скорость звука, деленная на 2π и частоту среза. Это выводится на основе следующих соотношений:

Сопротивление компрессионной камеры

где: Sp — площадь диафрагмы; V — объем воздушной камеры.

Сопротивление горла на частоте среза

где ST — площадь горла.

Приравнивая эти два выражения, получаем:

Однако часть экспертов отмечает, что использование компрессионной камеры умаляет реализм воспроизведенного звука и настаивают на нагрузке в виде рупора с обеих сторон диафрагмы, либо же на комбинации рупора с одной стороны и прямого излучения — с другой. Другими словами, наиболее реалистичное звуковоспроизведение происходит в тех случаях, когда обеим сторонам диафрагмы «позволено» излучать звук в пространство.

8 симпатий

Заключение

Подводя итог этой части статьи, следует заметить, что в проектировании рупорных громкоговорителей отсутствуют какие-либо универсальные формулы или правила. Основной смысл перечисления различных альтернативных подходов состоит в том, чтобы стимулировать других на эксперименты в тех областях, где результаты в большей степени должны оцениваться субъективно путем внимательных сравнительных прослушиваний a posteriori.

Как писал Вилсон: «Нет никаких оснований считать, что рупор, помещенный в корпус, имеет абсолютно точные характеристики какого-либо определенного типа прямого рупора, будь то показательный, гиперболический, конический или трактриса, даже в том случае, если его размерам, взятым в качестве отправных точек, в точности следовали при изготовлении. Многократные изменения направления, в сочетании с отражениями, поглощениями и внутренними резонансами всегда будут теми факторами, которые приводят к расхождениям характеристик и сводят на нет любые попытки устроить корректное сравнение. Каждая рупорная конструкция должна быть оценена по достоинству как при помощи объективных измерений, так и путем субъективной оценки».

“Horn Loudspeaker Design”,
Wireless World, Mar 1974, pp. 19-24.

6 симпатий

Захожу место для небольшого поста зачем сейчас нужен рупор человеческими словами.

Зачем в 2019 году нужен на сч/вч для бытовых целей:

  1. Низкие искажения. Искажения у классических Вч настолько ужасные, что их графики почти никогда не приводят. Плюс разница в чувствительности обычно больше 10 дБ, в итоге искажения ниже более чем на порядок.
  2. Направленность. Отличный инструмент в умелых руках прилично уменьшающий необходимость обработки комнаты.
  3. Давление и дальнобойность в больших комнатах.

Ну и звучат они более правильно и динамично.
Субъективизм, как он есть.

Пожалуй все. Безумная чуйка в 105-110 при пассивных фильтрах каких-то особых плюсов не даст, а с активными позволит использовать однотакты и снимать с них 110дб в точке прослушивания.

Про косяки и трудности писать? :grin:

2 симпатии

Рупор человеческими словами нужен или для высокой эффективности (нужно давление как в кинотеатре или на концерте, или нужно от лампового душевного дохлика получить приемлемую громкость) или для управления направленностью. Последнее самое ценное для мирного домашнего аудиофила (меньше комнаты - больше основного звука) и основная причина городить рупорные АС.

1 симпатия

Есть ещё одна причина.
Важнее эффективности для домашнего использования.

Не томи :grin:

Искажения разумеется.

Есть дома двух видов, обратный и фронтальный, большие.

Бро бекхорны и рупора на нч вообще ничего внятного не скажу. Для меня домашнее использование рупоров сч-вч диапазон. Я полноценный бас люблю.

Спорно. Тогда уже пленку можно выбирать исходя из искажений, у нее еще и рупорного окраса не будет. Ну ок, может и это аргумент, имхо не сильно важный.

Ничего спорного. Плёнка по чуйке тупее, если приводить к единой чуйке у рупоров нет конкурентов по искажениям. А у Вч пищей окраса и нет совсем. У хороших, конечно.
Ну если низкие искажения не аргумент, я тогда вообще хз, за что деньги в динамиках брать. :grin:

Такие слушали?
http://ldsound.ru/technics-sb-660/

Зачем приводить к единой чуйке? Если эффективность ты за рамки вопроса оставил сразу, мощи в усилителях мало? :slight_smile: Вопрос в том, что искажения сами по себе хоть и важный параметр, но лишь один из параметров. У хороших обычных голов искажения с запасом для домашнего использования, учитывая типичную домашнюю громкость (и даже высокую) и шумовую полку.

А как слушать акустику, у которой полосы с разной чуйкой будут? :thinking:

Резисторами душить.

Про фронтальный расскажите :slight_smile:

ну так да, все полосы придется свести к 1 чуйке в итоге ) Или я не понял, что Олег имел в виду :thinking:

Эмм?? :slight_smile: Анто написал если ленту и рупор свести к единой чуйке, то искажения ниже у рупора (на высоких давлениях я бы еще добавил)) Речь не шла о комбинировании полос.