- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
- •1.1. Основные определения
- •1.2. Линейные характеристики звукового поля
- •1.3. Энергетические характеристики звукового поля
- •1.4. Уровни
- •1.5. Плоская волна
- •1.6. Сферическая волна
- •1.7. Цилиндрическая волна
- •1.8. Свойства акустических волн
- •2. АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ИХ ВОСПРИЯТИЕ
- •2.1. Основные определения
- •2.2. Динамический диапазон
- •2.3. Частотный диапазон и спектры
- •2.4. Восприятие звука
- •2.4.1. Восприятие по амплитуде. Громкость
- •2.4.2. Восприятие по частоте. Высота звука
- •2.4.3. Тембр
- •2.4.4. Восприятие по времени и фазе, нелинейность слуха
- •2.4.5. Бинауральный эффект. Локализация источников звука
- •2.5. Искажения акустических сигналов
- •2.5.1. Линейные искажения
- •2.5.2. Нелинейные искажения
- •2.5.3. Искажения динамического и частотного диапазонов
- •2.5.4. Другие виды искажений
- •3.1. Основные определения
- •3.2. Аналогии по переменным характеристикам и параметрам
- •3.3. Электромеханические элементы
- •3.4. Электромеханические системы
- •3.5. Электроакустические системы
- •3.6. Электромеханические преобразователи
- •3.7. Применение метода электромеханических аналогий
- •4.1. Основные определения и классификация
- •4.2. Устройство и принцип действия
- •4.3. Электродинамические катушечные диффузорные ГГ
- •4.3.1. Процесс излучения
- •4.3.2. Электромеханическая модель и анализ работы
- •4.3.3. Искажения в электродинамических диффузорных ГГ
- •4.3.4. Основные характеристики электродинамических ГГ
- •4.3.5. Определение параметров Тиля-Смолла (Thiele-Small)
- •5. АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
- •5.1. Основные определения, классификация, нормы и характеристики
- •5.2. Элементы конструкции
- •5.3.1. Акустический экран (Infinitive baffle)
- •5.3.2. Открытый корпус
- •5.3.3. Закрытый корпус (closed box, acoustical suspensions)
- •5.3.4. Фазоинвертор (bass – reflection)
- •5.3.5. Полосовой резонатор (band pass)
- •5.3.6. Акустическая трансмиссионная линия
- •(acoustics transmissions line)
- •5.3.7. Рупорное оформление (horn)
- •5.4. Разделительные фильтры
- •5.5. Конструкции разработанных АС
- •5.5.3. Фазоинверсные АС
- •5.5.4. АС на основе полосовых резонаторов (ПР)
- •5.5.6. Рупорные АС
- •5.5.7. АС на основе комбинированных акустических оформлений
- •5.5.8. АС с «Bluetooth»
- •5.5.9. Доработка и переделка АС
- •5.6. Некоторые рекомендации по разработке и конструированию АС
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
А. С. БАДАЕВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Монография
Воронеж 2019
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
А. С. Бадаев
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Монография
Воронеж 2019
1
УДК 629.4.052.2 ББК 32.87-5
Б75
Рецензенты:
кафедра физики, теплотехники и теплоэнергетики Воронежского государственного университета инженерных технологий
(зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А. В. Буданов); канд. техн. наук, доц. О. С. Хорпяков
Бадаев, А. С.
Проектирование и конструирование высококачественных
Б75 акустических систем: монография / А. С. Бадаев; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет». – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. – 203 с.
ISBN 978-5-7731-0793-4
Приводятся основные теоретические сведения, необходимые для проектирования и конструирования высококачественных акустических систем (АС): звуковые колебания и волны, акустические сигналы, метод электромеханических аналогий. Рассмотрены классификация, устройство, принципы действия и основные характеристики громкоговорителей и АС. Разрабатываются и приводятся методы расчета и проектирования низкочастотных акустических оформлений и разделительных фильтров АС. Представлены конструкции разрабатываемых АС.
Издание предназначено для разработчиков высококачественных АС, специалистов, работающих в области электроакустики и звуковоспроизведения, а также может быть полезно студентам, аспирантам и радиолюбителям.
Ил. 169. Табл. 13. Библиогр.: 26 назв.
УДК 629.4.052.2 ББК 32.87-5
Печатается по решению научно-технического совета Воронежского государственного технического университета
ISBN 978-5-7731-0793-4 |
© Бадаев А. С., 2019 |
|
© ФГБОУ ВО «Воронежский |
|
государственный технический |
|
университет», 2019 |
2
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы XX и в наступившем XXI веке быстрыми темпами развиваются системы радио- и телевещания, звукозаписи и звуковоспроизведения с их качественными изменениями, связанными в основном с применением цифровых технологий. Появляются новые форматы многоканального пространственного воспроизведения звука, новые эффективные методы модуляции и алгоритмы обработки цифровой аудиоинформации, интегрированные в компьютерную сеть Интернет. Современные оптические форматы звукозаписи SACD и DVD – Audio обеспечивают емкость 4700 Мбайт, длительность звучания до 80 минут без сжатия аудиоданных [1]. Еще более высокие показатели имеют системы магнитной записи на жесткие диски компьютеров, емкость которых достигает Гбайт при длительности звучания 100 минут. Эти форматы позволяют осуществить стереофонетическую запись и воспроизведение звука с диапазоном частот 10–105 Гц, динамическом диапазоном не менее 125 дБ и коэффициентом нелинейных искажений не более 0.001%.
Для реализации столь высоких параметров необходимо применение звукового тракта, ко всем звеньям которого предъявляются очень высокие требования. Это в полной мере относится к конечному (и зачастую определяющему в отношении качества звучания) акустическому звену тракта — акустическим системам (АС).
Современные высококачественные АС должны обладать высокой мощностью и перегрузочной способностью, широкими частотным и динамическим диапазонами, небольшой неравномерностью частотной характеристики звукового давления, высоким давлением и КПД, широкой равномерной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.
Для успешного проектирования АС, обладающих вышеперечисленными характеристиками, следует знать основные положения, определения и уравнения акустики, владеть методом электромеханических аналогий, знать основные характеристики головок громкоговорителей (ГГ), методы их измерения, выбора и доработки. Также необходимо владеть методикой расчета акустических оформлений и разделительных фильтров, их оптимальным выбором, в том числе, и выбором комплектующих элементов фильтров. И, наконец, следует разбираться в свойствах материалов, применяемых для изготовления корпусов АС, для демпфирования и звукопоглощения, а также в выборе конфигурации корпусов. Освещению этих вопросов и посвящена настоящая монография.
Здесь следует отметить один немаловажный аспект проблемы. Дело в том, что создание высококачественных АС — задача, решение которой находится на грани науки, техники и эстетики. Конечная цель разработчика — доставить слушателю эмоциональное, эстетическое удовольствие при прослушивании фонограммы любимой музыки и музыкантов, максимально приближенной к звучанию в концертном зале. Это и является причиной вечных споров «физиков и лириков» на различных форумах, споров бесполезных и, следова-
3
тельно, не нужных, поскольку истина в них не родится никогда. Но это уже вопросы более высоких порядков, выходящие за рамки монографии. Интересующихся мы отсылаем к очень хорошей и полезной книге И. А. Алдошиной [2] и ее лекциям по психоакустике. Тем не менее, нам представляется, что решение проблемы существует и выглядит, примерно, так: технически грамотное и бескомпромиссно выполненное по мнению профессионалов — «физиков» и приборов изделие удовлетворяет при прослушивании требованиям большинства подготовленных, взыскательных слушателей — экспертов «лириков», а лучше «физико-лириков».
Материалы, на основе которых написана монография, использовались при проведении курсов «Акустика», «Электроакустика» для студентов специальности «Аудиовизуальная техника» и при выполнении выпускных квалификационных работ студентов специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» на факультете радиотехники и электроники «Воронежского государственного технического университета».
Результаты работ докладывались на научных конференциях, принимали участие в конкурсах НИР, выставлялись на выставках научно-технического творчества молодых уч ных и аспирантов ВГТУ, были отмечены дипломами и грамотами и опубликованы.
Монография содержит пять глав, первые три из которых являются вводными и изложены кратко, с минимальным использованием сложного математического аппарата. Тем не менее, они необходимы для понимания последующих оригинальных глав, посвященных непосредственно расчету, проектированию и конструированию АС и дополнены ссылками на источники, в которых вопросы первых глав изложены полно и глубоко.
Монография предназначена для студентов старших курсов всех форм обучения, магистров и может быть полезна при дипломном и курсовом проектировании, а также для специалистов, работающих в областях теле- и радиовещания, звукозаписи, высококачественного звуковоспроизведения и т. п.
4
1. ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
1.1. Основные определения
Колебаниями называются ограниченные движения (или изменения состояний), повторяющиеся полностью или частично в окрестности некоторого среднего положения (положения устойчивого равновесия). Системы, которые совершают колебания, называются колебательными системами. Колебания называются механическими, если они характеризуются изменением только механических величин (например, смещения, скорости, ускорения, давления и т. п.). Звуковые колебания являются частичным случаем механических колебаний.
Периодическими называются такие колебания, в которых величина изменяющегося параметра повторяется через одно и то же время. Этот наименьший промежуток времени T называется периодом= 1/ , колебаний. Циклической частотой колебаний называют величину которая измеряется в герцах (Гц): 1 Гц — частота колебаний, период которых Т = 1с.
Периодические колебания, которые происходят по законам синуса или косинуса, называются гармоническими:
e(t) = Em cos(ωt −ϕ0 ), |
(1.1) |
где Em — наибольшее значение изменяющейся величины называется ам-
плитудой; а ωt −ϕ0 — фазой колебаний; ϕ0 — начальной фазой; ω — круговой частотой. Круговая частота ω и частота колебаний ƒ связаны соотношением:
ω = 2π /T = 2π ƒ. |
(1.2) |
Фаза колебаний показывает значение изменяющейся величины в данный конкретный момент времени, она измеряется в угловых единицах — градусах или радианах (рад). Круговая частота ω выражается в рад/сек или град/сек.
Если колебания имеют одинаковую частоту, но разные начальные фазы, то их называют колебаниями сдвинутыми по фазе, которая определяется разностью начальных фаз и не зависит от начала отсч та времени.
ϕ0 — начальная фаза, определяемая величиной смещения гармонической
функции относительно начала координат может быть отрицательной, как на рис. 1.1, и положительной, как на рис. 1.2 [6].
Сдвиг гармонического колебания вправо относительно начала координат соответствует отставанию по фазе, а сдвиг влево соответствует опережению по фазе. На рис. 1.3 показаны два напряжения, из которых u1(t) опережает по фазе
напряжение u2(t) [6]. Гармоническое колебание u(t) можно представить в виде вектора на плоскости. Так, например, колебание u(t) = um cos(ωt ±ϕ) представляется в виде (рис. 1.4) [6].
5
Рис. 1.1. Гармоническая функция |
Рис. 1.2. Гармоническая функция |
с отрицательной начальной фазой |
с положительной начальной фазой |
Рис. 1.3. Опережение по фазе |
Рис. 1.4. Представление |
напряжения |
гармонических колебаний |
|
в векторном виде |
Любое периодическое колебание может быть представлено в виде суммы нескольких гармонических колебаний, т.е. в виде гармонического ряда.
В реальных колебательных системах с потерями без внешнего источника энергии колебания затухают и называются затухающими. При затухающих колебаниях смещение:
x = A e−αt sin(ωt +ϕ0), |
(1.3) |
где А — начальная амплитуда; α — коэффициент затухания; A e−αt — мгновенное значение амплитуды.
Затухающие колебания представлены на рис. 1.5 [6].
Для характеристики скорости затухания и уровня потерь пользуются так-
же понятиями логарифмического декремента затухания δ |
и добротности Q |
δ = ln(A1 / A2 ) = ln(eαT ) =αT, |
(1.4) |
Q =π /δ. |
(1.5) |
6
Рис. 1.5. Затухающие колебания (ϕ0 = 0)
Если колебания вызываются внешними воздействиями, то они называются вынужденными. В случае, когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой колебательной системы, амплитуда колебаний резко возрастает (рис. 1.6). Это явление называется резонансом, а частота, при которой это происходит — резонансной частотой.
Колебательные системы, в которых потери энергии пополняются за счет внутреннего источника энергии, называются автоколебательными, а самоподдерживающиеся колебания в таких системах называются автоколебаниями.
Распространение колебаний в пространстве с конечной скоростью называется волной. Скорость, с которой происходит распространение возмущения частиц среды, например, сжатие-разрежение, называют скоростью волны. Она может зависеть от параметров среды, а иногда и от частоты колебаний, в последнем случае говорят о дисперсии скорости.
Рис. 1.6. Резонансные кривые при различных затуханиях
Расстояние, которое проходит волна за один период, называется длиной волны.
λ =VT. |
(1.6) |
Частота ƒ и λ связаны соотношением |
|
f =V /λ, |
(1.7) |
7
где V — скорость волны.
Звуковые колебания (звук) — механические (акустические) колебания, которые мы слышим, с частотой 20–20000 Гц.
Звуковой волной называют периодическое распространяющееся изменение плотности воздуха (сжатие-разрежение) вдоль направления распространения звука — звукового луча, вызванное звуковыми колебаниями. В воздухе и других газах возможны только продольные волны. Скорость движения областей сжатия и разрежения воздуха от источника колебаний называются скоростью звука, которая равна 344 м/с при нормальных условиях.
Звуковое поле — это область пространства, в котором происходит распространения звуковых волн.
Фронтом звуковой волны называется элемент поверхности, соединяющий соседние точки звукового поля, имеющие одинаковую фазу. Фронт волны, как правило, имеет сложную и, иногда, изменяющуюся с расстоянием форму, мы будем рассматривать три типа волн: с плоской, сферической и цилиндрической формой.
Длина звуковой волны в соответствии с (1.6) равна λ = с∙Т = с/ƒ, где c — скорость звука в воздухе, которая зависит от внешних условий — температуры (рис. 1.7) [6] и давления, при понижении атмосферного давления c уменьшается, поскольку уменьшается плотность воздуха.
Рис. 1.7. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры при нормальном атмосферном давлении
Диапазон звуковых частот достаточно условно делят на три полосы: низ-
кие (20 – 200 Гц), средние (200 – 5000 Гц) и высокие (5000 – 20000 Гц) частоты,
частоты, которые не воспринимает человеческое ухо, называют соответственно
инфранизкими (ниже 20 Гц) и ультразвуковыми (выше 20000 Гц).
8