Материал: Исследование портативных акустических излучателей

При применении контрапертурного принципа давление создаётся в воздушном столбе между ГД, и точка излучения находится также между ними. Создаётся, так называемый «монополь давления», точечный источник звука. И он не распределён частотно на изменчивом расстоянии от ГГ, а находится между ними, равномерно излучая во все стороны. Это и есть решение проблемы «дальней зоны» [3].

Контрапертурная акустика создаёт звуковое давление, которое всегда физически представляет собою ненаправленный (скалярный) продукт. В случае стереокомплекта мы имеем два монополя, а работу по преобразованию разностей двух каналов выполняет психоакустика (принцип «Гюйгенса»). При включении двух каналов не образуется какой-то особой области давления, в которой расположились две точки. Всю работу по локализации источников выполняет наш слуховой аппарат, а задача звукорежиссёров «обмануть» уши, применяя смещение фаз, задержки и изменения отношения громкости, чтобы получить необходимые образы. С отражениями ситуация проще. Направленные акустические системы ни в коей мере не свободны от проблемы отражённого звука, они точно также излучают волны во все стороны, но уже неравномерно.

Ослабление звука за счет отражений настолько незначительно, несмотря на все старания производителей, что особой роли не играет в общей характеристике АС. В результате получается, что даже в не очень хорошей по акустическим параметрам комнате, АС с круговой направленностью (или ненаправленные) смогут звучать заведомо лучше.

Контрапертурная акустика увеличивает «VIP зону», потому что слушателю не нужно напряжённо сидеть ровно в вершине треугольника, созданного стереопарой, боясь услышать искаженные сигналы, пришедшие от стен. Равномерное поле «чистого» звука шире, и критичность отражённых волн меньше.

Контрапертурный принцип позволяет избавиться от ещё одной проблемы, которая присуща обычным системам, и раньше считалась практически неразрешимой. Человеческое ухо особенно чувствительно к эффекту допплеровской интермодуляции. Данный термин, несмотря на свою формулировку, означает довольно простой эффект: фазовые и частотные смещения или колебания звуковой волны из-за движения источника звука. Этот эффект хорошо знаком фанатам моделей летающих самолётов. Когда вы стоите рядом с кругом, по которому летает модель, звук мотора постоянно преображается в зависимости от положения самолёта, но если вы стоите в центре, и сами крутите его, то звук для вас будет одинаков. А обостренную чувствительность человеческого уха к эффекту доплеровской интермодуляции можно объяснить реагированием на опасность в окружающей среде. Мы должны различать не только изменение громкости, тем более оно для расстояния в несколько метров будет не значительным (а вопрос жизни может решить и несколько сантиметров), но и что-то другое, ради моментальной реакции [3]. Малейшее изменение звука источника моментально обрабатывается нашим мозгом. Мембрана ГД очень быстро движется относительно вас. Следовательно, звук постоянно подвергается частотным и фазовым искажениям. ГД движется на минимальные расстояния, и этот эффект должен быть незаметен. Но, к сожалению, человеческое ухо, как уже упоминалось выше, настолько чувствительно, что и малейшие изменения играют заметную роль.

Контрапертурная акустика может избавиться от этого эффекта. Доплеровская модуляция возникает, когда источник звука приближается или удаляется от слушателя, а в случае вертикальной (или горизонтальной) постановки мембрана ГД не совершает никаких перемещений относительно наших ушей. Также, как и держащий в руке струну, ведущую к авиамодели «пилот», как человек сидящий в поезде, самолёте или машине не слышит каких-либо изменений в звуке мотора. Источник звука относительно него находится на одном неизменном расстоянии.

Дополнительно, два одинаковых, но противоположно направленных движения, компенсируют друг друга. Из этого вытекает и ещё один положительный эффект. Слушать контрапертурную акустику более комфортно. Нашему мозгу не приходится постоянно обрабатывать поступающий звук, как звук, источником которого является движущийся объект. Звучание становится «экологически чистым», сопоставимым со звуками живой природы. Конечно, это не снимает проблемы утомляемости от высокого уровня громкости, но уже не нагружает мозг дополнительной работой. Более того, наше сознание, в какой-то мере, отдыхает, при прослушивании натуральных звуков.

АС может иметь недостатки, присущие всем другим системам. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики ГД, несогласованность с усилителем и подобные.

Контрапертурную конструкцию можно создать и не прибегая к установке двух противоположно установленных ГГ (здесь требуется прецизионной точность инсталляции и полная идентичность ГД). Менее эффективный, но всё же отражающий суть, способ, прост, если вместо второй ГД, в середине контрапертурного промежутка поместить отражающую поверхность (достаточно жёсткую, не создающую дополнительных резонансов). Именно по этому пути реализуются портативные акустические излучатели. Следует заметить, что в таком случае приходится подобрать расстояние от ГД до отражающей поверхности, наиболее соответствующее условиям (размер ГД и угол рассеяния звуковых волн). Портативная система не допускает использование больше одной ГД, и это подразумевает более сложную ее конструкцию. Для большой широкополосной ГГ полуконтрапертура показана на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Общий вид полуконтрапертурной АС с отражающей поверхностью, вместо второй динамической головки

Поэтому конструкция портативного акустического излучателя предполагает использование малогабаритной широкополосной ГГ, установленной жёстко в корпусе без ФИ, напротив которой располагается пластина в виде «лепестков», «цветка» или простой пластинки. Расчёт нахождения пластины по отношению к ГГ выполнен в связи с углами направленного излучения ГГ и представлен в [4].

.6 Обзор методик измерения параметров головок громкоговорителей, исследование характеристик акустических излучателей

Обычно АЧХ измеряют в звукомерных заглушённых камерах, реализующих условия свободного поля. Структурная схема измерений АЧХ показана в [5]. Синусоидальный сигнал от генератора, входящего в установку автоматической записи частотной характеристики (УАЗЧХ), через усилитель мощности подаётся на испытуемую АС, установленную в заглушённой камере. Контроль подаваемого напряжения осуществляется вольтметром. Создаваемое АС звуковое давление измеряется микрофоном, затем сигнал, пропорциональный звуковому давлению, поступает на вход микрофонного усилителя и регистрирующее устройство в составе УАЗЧХ.

За последние годы развились методы измерений АС с помощью импульсных сигналов, допускающих проведение измерений и в незаглушённых помещениях.

Наряду с АЧХ для оценки линейных искажений в АС используется ФЧХ, т. е. зависимость фазы звукового давления от частоты, измерения которой широко используются в практике проектирования АС. Однако методика измерений ФЧХ до настоящего времени не стандартизирована.

Для оценки пространственного распределения звукового поля используются характеристики, связанные с направленностью АС: диаграмма направленности, показатель направленности и др.

Для оценки нелинейных искажений в АС используют различные виды испытательных сигналов: тональные, шумовые, музыкальные и др. Однако чаще всего измеряются нелинейные искажения на синусоидальных сигналах. Обычно нормируется полный и характеристический коэффициент гармонических искажений на заданной частоте

, (1.5)

где к_г - полный коэффициент гармонических искажений;

p_i - давление, развиваемое громкоговорителем на частоте f_i, Па;

p_ср - среднее звуковое давление в заданном диапазоне частот, Па;

Полный коэффициент гармонических искажений

, (1.6)

где p_nf, p_f - звуковое давление на частотах f, nf. Измерения проводят в звукомерных заглушённых камерах.

Для проверки портативного акустического излучателя по его основным характеристикам измерения в звукомерных заглушённых камерах не проводятся. В качестве альтернативы можно использовать метод «качающегося микрофона», которой приближает условия измерения к свободному полю или звукозаглушённой камере.

.7 Измерение АЧХ акустического излучателя методом качающегося микрофона

Особый способ измерения АЧХ, так называемый «метод качающегося микрофона» был описан в [6, 7].

Как известно основу системы слуховой ориентации человека составляет способность мозга различать разницу (доли миллисекунды) задержки звукового сигнала между правым и левым ухом. Высчитывая эту разницу мозг делает вывод о расположении источника в пространстве, т.е. наш мозг является идеальным анализатором импульсных сигналов.

- сигнал прямого излучения;

сигнал отражаемый от стен и потолка (первичные отражения);

сигнал отражённый от стенки расположенной за слушателем (вторичные отражения);

Все эти составляющие в неизученной пропорции суммируются мозгом на подсознательном уровне, и уже из этой суммы вытекает наше впечатление от звучания АС. Первичные и вторичные отражения формируются внеосевым (горизонтальным и вертикальным) излучением АС, следовательно от неравномерности внеосевых АЧХ зависит неравномерность АЧХ отражений. Эмпирически уже давно было доказано что хорошее впечатление производят АС с равномерными осевыми и внеосевыми АЧХ.

Для измерения АЧХ необходим измеритель звукового давления АЧХ которого либо идеальна, либо известна. Близкие к идеалу во всем звуковом диапазоне измерители дороги и малодоступны. Достаточно приобрести прибор с достоверными данными об отклонениях АЧХ от линейной. При этом необходимо фиксировать результаты измерений, учитывая поправки согласно таблице вносимых измерителем отклонений.

Разместите АС на расстоянии 40-80 см от стены позади нее и 1 - 2 м от боковой стены. Расположитесь с измерителем звукового давления на расстоянии 1,5 - 2 м от АС. Измеритель не следует располагать к стене ближе, чем на 60 - 70 см.

При этих условиях измеряемая АС и шумомер будет находиться недалеко от углов комнаты, расположенных по диагонали. В качестве измерительного сигнала не следует использовать синусоидальный. Из-за стоячих волн в помещении измерения с помощью чистого тона дадут плохо поддающуюся расшифровке, неинформативную характеристику.

Измерения микрофоном, расположенным в одной точке, дают результаты, неадекватные слуховому восприятию, так как даже псевдошумовые сигналы не полностью устраняют влияние стоячих волн в помещении. Чтобы результаты измерений были сопоставимы с реальным звучанием АС, необходимо непрерывно перемещать микрофон. Это известный метод «качающегося микрофона», применяемый, например, фирмой «Брюль и Кьер».

В нашем случае этот метод реализуется следующим образом:

. Необходимо плавно перемещать микрофон перпендикулярно акустической оси измеряемой АС, сохраняя постоянной высоту шумомера от пола, равную 1 м.

. Акустическую ось микрофона шумомера не обходимо направить на АС (небольшая погрешность - допустима).

. Скорость движения должна быть не слишком медленной, колебания плавными, но довольно частыми. Это требуется для эффективного усреднения колебаний показаний прибора из-за стоячих волн в помещении.

С другой стороны, движение вызывает помехи из-за ветрового задувания микрофона. Стрелка прибора не должна отклоняться от минимальной отметки шкалы при выбранном диапазоне измерений. Шумомер позволяет, переключая пределы измерений, присвоить отметке шкалы «0dB» значения от 60-и до 120 дБ звукового давления. Понятно, что в режиме «60dB» движения микрофона должны быть самыми плавными и медленными. В режиме «120dB» движения могут быть очень интенсивными.

Оптимально присвоить нулевой отметке значение «80dB», так как при этом на АС приходиться подавать мощность в диапазоне ~0,1-0,5 Вт (в зависимости от чувствительности ГГ). Громкость около 80дБ достаточно велика, чтобы обычный шумовой фон жилого помещения не вносил существенной погрешности в измерения.

Оптимальная периодичность качания микрофона в этом случае - одно движение «от себя - к себе» в течении 0,8 -1,1 секунды (период - чуть короче секунды). Амплитуда движений - примерно 50 см.

Установите переключатели режимов измерения на шумомере в положение «С» (WEIGHTING) и SLOW (RESPONSE). Положение SLOW соответствует лучшему усреднению и меньшим колебанием стрелки. Тем не менее, полностью устранить эти колебания нельзя. Чем дольше стрелка находится в районе определенной отметки на шкале, тем больше надо учитывать значение этой отметки при усреднении, делая небольшую поправку в сторону кратковременных, но значительных отклонений стрелки.

2. Практическая часть

.1 Моделирование конструкции портативного акустического излучателя

Для моделирования конструкций портативных акустических излучателей использовался пакет КОМПАС 17, который позволил не только продемонстрировать установку ГГ в корпусе излучателя, но и проследить реализованный принцип полуконтрапертуры.

Портативный акустический излучатель MyVibe H2 представлен на рисунке 2.1.

Портативный акустический излучатель MP3 Орбита DS-10 с указанием основных размеров представлен на рисунке 2.2.

Моделирование MyVibe SH2 выполнено и представлено на рисунке 2.3.

Конструктивные особенности Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00 приведены на рисунке 2.4. Необычная форма и особенности конструкции Sony SRS-X1 White представлены на рисунке 2.5.

Рисунок 2.1 - MyVibe H2

Рисунок 2.2 - MP3 Орбита DS-10

Рисунок 2.3 - MyVibe SH2

Рисунок 2.4 - Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00

Рисунок 2.5 - Sony SRS-X1 White

Особенностью каждой представленной модели является возможная реализация в ней полуконтрапертуры, т.е. нахождение элемента напротив ГГ в виде полусферы, как у моделей MyVibe H2, MyVibe SH2, Sony SRS-X1 White, либо в виде рассеивающей пластинки как в моделях MP3 Орбита DS-10 и Philips Sound Shooter SBA3011GRN/00. Если сделать обобщение, то максимальное расстояние от ГГ до полусферной пластины лежит в пределах от 8 до 11 мм, а для пластины рассеивания звуковых волн составляет лишь 3 - 5 мм. Каждая динамическая головка обеспечивает отдачу звукового давления и на расстоянии r от нее звуковое давление может быть определено формулой [4]

, (2.1)

где L_H - звуковое давление на расстоянии 1 м от динамической головки.

Уменьшение звукового давления с удалением от динамической головки связано с распределением мощности на большую площадь - 4πr_в² (где r_в радиус фронта волны). Суммарная мощность, перетекающая через всю площадь волнового фронта, не изменяется, поэтому мощность, приходящаяся на единицу площади, уменьшается пропорционально квадрату радиуса фронта волны. Следовательно, чем меньше расстояние между двумя излучателями, тем больше суммарное звуковое давление.

Следующий определяющий фактор вертикальная направленность акустической системы.

Характеристика направленности АС определяет зависимость звукового давления на любой заданной частоте от направления излучения звука. Как видно на рисунке 2.6 характеристика направленности динамической головки в полярных координатах отображает изменение звукового давления, которое сфокусировано в области 60^о.

Рисунок 2.6 - Характеристика направленности динамической головки в полярных координатах

Следовательно, в этой области должна находиться вторая головка или на половинном расстоянии пластина (см. рисунок 2.7), расположенная на одной оси с первой, и чем дальше друг от друга они будут находиться, тем больше будет угол рассеивания

, (2.2)

где H = 2r - расстояние между двумя головками;- расстояние от центра до края корпуса системы.