Расширение зоны стереоэффекта. Высокочастотная акустическая система с круговой диаграммой направленности. О динамиках в потолке

Большим недостатком современных динамических громкоговорителей является острая характеристика направленности в области высоких частот, что создает определенные неудобства при прослушивании монофонических программ и сужает зону стереоэффекта при использовании обычных акустических систем в стереофонии.

В различной отечественной и зарубежной литературе неоднократно приводился рисунок (рис. 1), иллюстрирующий влияние расположения громкоговорителей на зону стереоэффекта.

Рис. 1. Зона заметного стереоэффекта: а - при размещении одиночных громкоговорителей в углах помещения, б - при размещении системы из трех громкоговорителей в каждом канале вдоль узкой стороны комнаты.

Для расширения зоны стереоэффекта многие любители стереофонического звуковоспроизведения применяют один - два громкоговорителя закрытого типа в каждом канале, располагая их в углах комнаты, как показанной на рис. 2.

Рис. 2. Размещение громкоговорителей по углам комнаты.

Выпускаемые рядом иностранных фирм высокочастотные акустические агрегаты выполнены в форме куба, на внутренней стороне каждой грани которого размещен громкоговоритель (всего 6 штук).

Применение всенаправленных излучателей не только расширяет зону стереоэффекта, но и позволяет значительно снизить необходимую площадь помещения с 18-20 до 12-15 кв.м. В материалах рекламной иностранной печати имеются сообщения, что использование всенаправленных излучателей позволяет получить удовлетворительный стереоэффект даже в салоне легкового автомобиля.

В конструкции применены отечественные громкоговорители 1ГД-3 РР3 со следующими основными параметрами: среденее стандартное звуковое давление 0,3 н/м2, собственная частота механического резонанса 4,5±1 кГц, модуль полного электрического сопротивления на чатсоте 630 Гц — 12,5 Ом, номинальная мощность 1 Вт, рабочий диапазон частот 5-18 кГц.

Общий вид акустики показан на рис. 3. Сферический фронт звуковой волны от громкоговорителя 1 (на рисунке дан разрез диффузора громкоговорителя) попадает на рассеивающую линзу 2. Отраженные от линзы звуковые колебания имеют круговую характеристику направленности в горизонтальной плоскости. Образующая линза рассчитана таким образом, что и в вертикальной плоскости появляется характеристика направленности громкоговорителя. Для увеличения звукового давления и расширения характеристики направленности в агрегате используются два громкоговорителя.

Рис. 3. Общий вид акустического агрегата: 1 — громкоговоритель, 2 — исскуственная линза, 3 — корпус, 4 — дюралиевая линза, 5 — кольцо, 6 — капроновая стека, 7 — стойки, 8 — основание, 9 — муфты.

При сборке агрегата громкоговоритель с капроновой сеткой, защищающий его от пыли, приклеивают его к пластине 4 и запрессованному в нем кольцу 5. Затем весь узел с помощью стоек 7 крепят к корпусу 3. Стойки 7 держат также основание 8 с приклеенными к нему линзами 2.

Эскизы деталей агрегата показана на рис. 4. Корпус 3 и основание фанерованы, можно использовать пластик с рисунком, иммитируюший ценные породы дерева. Остальные детали изготовлены из дюралюминия Д16. Наружные поверхности этих деталей отполированы.

Рис. 4. Эскизы деталей агрегата.

Электрическое включение громкоговорителей агрегата определяется параметрами усилителя и низкочастотных громкоговорителей. Для однополосных усилителей с номинальной выходной мощностью 5-10 Вт можно рекомендовать вариант включения агрегата, поаказанный на рис. 5, а.

Рис. 5. Электрические схемы включения громкоговорителей акустического агрегата.

Для стереофонических усилителей с одним низкочастотным громкоговорителем схема упрощается. На рис. 5, б, например, показана схема подключения агрегата к звуковой колонке магнитофона «Яуза-10».Дроссели намотаны на пластмассовых каркасах диаметром 25 мм. Ширина намотки 30 мм. Дроссель Др1 (рис. 5,а) содержат 150, а Др1 (рис. 5,б) - 100 витокв провода ПЭВ-2 1,04.

И в заключение хочется предупредить радиолюбителей, что использование описанного акустического агрегата целесообразно только в том случае, если полоса рабочих частот усилителя превышает 8-10 кГц. При меньшей полосе пропускания его применение становится неоправданным и малоэффективным.

Радио стр. 39-40, № 4, 1973 г.

[ 20 ]

2 8; 3,0 м при изменении ДЛ в пределах от О (ненаправленные громкоговорители) до (ступенями через 2 дБ) и для значений углов t) от О

Результаты этих расчетов, полученные для В=3,0 м и ДА=10 дБ (как иуеЮЩие наибольший интерес), представлены графически на рис. 3.2. Здесь

Рнс 3 1 к расчету зоны стереоэффекта

для каждого отдельного случая приведены рассчитанные значения \ср и р. Зона стереоэффекта заштрихована, а зона расположения слушательских мест, для которых выполнялся расчет, оставлена незакрашенной. Заметим, что при Б=3,0 м наибольшее увеличение зоны стереоэффекта наблюдается при ДЛ = =40 дБ и \j 70°, что соответствует углу на громкоговорители 2ф 140°. Завн-

Рис 3 2 Влияние формы и ориентации в пространстве характеристик направленности громкоговорителей на размер зоны стереоэффекта

симостн коэффициента р от степени направленности громкоговорителей АЛ, полученные для разных значений углов гр, приведены на рис 3 3.

Полученные данные свидетельствуют о следующем: а) наименьший размер зоны стереоэффекта получается при применение! направленных громкоговорителей, но расположен-

Рис 3 3 Зависимость коэффициента использования площади прослушивания испытуемой системой воспроизведения от степени направ-енности громкоговорителей для разных углов пересечения акустических осей громкоговорителей

ных таким образом, чтобы их акустические оси были параллельны; б) несколько больший размер зоны стереоэффекта обеспечивают ненаправленные громкогов! . рители, в) наибольшее расширение зоны стереоэффекта наблюдается при использовании направленных громкоговорителей, акустические оси которых направлены навстречу друг другу под определенным углом.

3.3. Оптимальные характеристики направленности громкоговорителей при стереовоспроизведении

Подавляющее большинство выпускаемых в настоящее время акустических систем и значительная часть базовых моделей (см. табл. 3.1) обеспечивают очень узкую зону стереоэффекта. Во-первых, это создает значительные неудобства для слушателя, вынуждая его располагаться на оси симметрии системы. Во-вторых, практически исключается возможность коллективного прослушивания с целью получения высокого качества воспринимаемого стереоэффекта Для слушателей, расположенных сбоку от оси симметрии системы, воспринимающих только ближайший громкоговоритель, звучание по сути дела становится монофоническим.

Этот недостаток, присущий большинству стереофонических звуковоспроизводящих систем не является непреодолимым. Из рис. 3.2 и 3.3 видно, что применение направленных и определенным образом ориентированных громкоговорителей может быть достаточно эффективной мерой для расширения зоны стереоэффекта. Иными словами с помощью характеристик направленности громкоговорителей оказывается возможным компенсировать действие на орган слуха временной разности \Хх,у и разности уровней ALx,y путем создания в каждой точке прослушивания определенной по значению и знаку компенсирующей разности уровней.

При этом уравнение компенсации имеет вид

;.Д.,.+ ДЧ.+ ДД(Ф., = 0 (3-2)

где ДLдф -компенсирующая разность уровней, в децибелах, создаваемая в данной точке за счет различия характеристик направленности Д1{1) и Д2(11;2) громкоговорителей, н определяемая как

Д Lд = Д, Ш - Д, Ш = /С. + 20 Ig + /Со

Обычно значения ДLд(ф рассчитываются только для центрального КИЗ, так как стабилизация его местоположения при боковом смещении слушателя является необходимым и достаточным условием стабилизации всей панорамы. Это следует из того факта, что наклон кривых, характеризующих относительное смещение КИЗ в функции AL или Дт не зависит ни от размера В, ни от координат слушателя при у>В.

Из (3.3) следует, что существует множество форм оптимальных характеристик направленности, так как определяющим фактором является их разность. Чаще всего на практике используются два пути получения разности ДLдф

Наиболее распространенным для двухканальиой стереофонии является создание громкоговорителей, обеспечивающих получение для каждого слушательского места значений разности факторов направленности, обеспечивающих направленное излучение звука только в горизонтальной плоскости. При этом з вертикальной плоскости излучение звука должно быть по возможности ненаправленным

Получение характеристики направленности каждого из громкоговорителей в горизонтальной плоскости монотонной в функции угла и к тому же не имеющей резких перегибов возможно, если точную компенсацию (полную нейтрализацию действия на орган слуха) величин Ахх.у и \Lx,y производить лишь для точек, образующих прямую линию, параллельную базе громкоговорителей .

Результаты расчетов Доп1(ф) для разных значений и расстояний уо представлены на рис. 3.4. Для удобства сравнения выполнена нормировка каждой полученных кривых и, кроме того, они построены в децибелах. Из рис. 3.4 следует, что форма оптимальной характеристики направленности громкоговорителей зависит от Уо и В; чем больше В и меньше расстояние до линии ко.м-яеисацин, тем острее должна быть характеристика направленности Гр1 и Гр2;

О -5 -10 -15 -го дВ -20 -15 -10 -5 О

Рис, 3.4. Оптимальные по передаче пространственной информации характеристики иаправ-лениостн для правого (сплошные линии) и левого (пунктирные линии) громкоговорителей стереофонической акустической системы для разных баз при уь=2 м (а) н разных Уо прн В=1,8м (б)

прн!/о>1,5 м влияние этого фактора существенно снижается; акустические осн громкоговорителей с оптимальной направленностью (в зависимости от выбранных значений В и уо) пересекаются на оси симметрии под углом 80-120°; изменение направленности каждого из громкоговорителей в пределах угла 60°, считая от его акустической осн для случаев, имеющих наибольший практический интерес (В = 2,8-3,0 и Уо>\,5 м), составляет 6-8 дБ. Заметим, что результаты этих вычислений достаточно хорошо согласуются с данными § 3.2. Для уменьшения влияния вертикальной направленности таких громкоговорителей иа получаемые результаты, громкоговорители следует располагать на уровне ушей слушателя, если же вертикальная направленность незначительна, то расположение колонок по высоте безразлично. Следует лишь помнить, что чрезвычайный их подъем приводит к неестественному по высоте положению стереопанорамы.

Другим, менее распространенным в настоящее время способом расширения зоны стереоэффекта (одинаково пригодным для стереофонии и квадрафонин), является применение громкоговорителей, имеющих определенную форму направленного излучения в вертикальной плоскости при отсутствии направленности в горизонтальной. Для получения требуемого эффекта громкоговорители Должны устанавливаться ниже (это расположение является более предпочти-

Большим недостатком современных динамических громкоговорителей является острая характеристика направленности в области высших звуковых частот, что создает определенные неудобства при прослушивании монофонических программ и сужает зону стереоэффекта при использовании обычных акустических систем в стереофонии.

В различной отечественной и зарубежной литературе неоднократно приводился рисунок (рис.1), иллюстрирующий влияние расположения громкоговорителей на зону стереоэффекта.

Рис. 1. Зоны заметного стереоэффекта

Для расширения зоны стереоэффекта многие любители стереофонического звуковоспроизведения применяют один — два громкоговорителя закрытого типа в каждом канале, располагая их в углах комнаты, как показано на рис.2.

Рис. 2. Размещение громкоговорителей по углам комнаты

А — при размещении одиночных громкоговорителей в углах комнаты

Б — при размещении системы из трех громкоговорителей в каждом канале вдоль узкой стороны комнаты.

Выпускаемые рядом иностранных фирм высокочастотные акустические агрегаты выполнены в виде куба, на внутренней стороне каждой грани которого размещен громкоговоритель (всего 6 штук).

Применение всенаправленных излучателей не только расширяет зону стереоэффекта, но и позволяет значительно снизить необходимую площадь помещения с 18-20 до 12-15 м 2 . В материалах рекламной иностранной печати имеются сообщения, что использование всенаправленных излучателей позволяет получить удовлетворительный стереоэффект даже в салоне легкового автомобиля.

Автором статьи предлагается конструкция высокочастотного акустического агрегата, обладающего круговой характеристикой направленности в горизонтальной плоскости, с рабочим диапазоном частот от 5-6 до 18-20 кГц.

В конструкции применены отечественные громкоговорители 1ГД-3-РРЗ со следующими основными параметрами: среднее стандартное звуковое давление 0,3 Н/м2, собственная частота механического резонанса 4,5± 1 кГц, модуль полного электрического сопротивления на частоте 630 Гц — 12,5 Ом, номинальная мощность 1 Вт, рабочий диапазон частот 5-18 кГц.

Общий вид агрегата показан на рис.3. Сферический фронт звуковой волны от громкоговорителя 1 (на рисунке дан разрез диффузора громкоговорителя) попадает на рассеивающую линзу 2. Отраженные от линзы звуковые колебания имеют круговую характеристику направленности в горизонтальной плоскости.

Рис. 3. Общий вид акустического агрегата

1. громкоговоритель;
2. акустическая линза;
3. корпус;
4. дюралюминиевая пластина;
5. кольцо;
6. капроновая сетка;
7. стойки;
8. ​основание;
9. ​муфты.

Образующая линзы рассчитана таким образом, что в вертикальной плоскости повторяется характеристика направленности громкоговорителя. Для увеличения звукового давления и расширения характеристики направленности в вертикальной плоскости в агрегате используются два громкоговорителя.

При сборке агрегата громкоговоритель с капроновой сеткой 6, защищающей его от пыли, приклеивают к пластине 4 и запрессованному в нее кольцу 5. Затем весь узел с помощью стоек 7 крепят к корпусу 3. Стойки 7 держат также основание 8 с приклеенными к нему линзами 2.

Эскизы деталей агрегата показаны на рис. 4. Корпус 3 и основание 8 фанерованы, можно использовать пластик с рисунком, имитирующим ценные породы дерева. Остальные детали изготовлены из дюралюминия Д16. Наружные поверхности этих деталей отполированы.

Рис. 4. Эскизы деталей агрегата

Электрическое включение громкоговорителей агрегата определяется параметрами усилителя и низкочастотных громкоговорителей. Для однополосных усилителей с номинальной выходной мощностью 5-10 Вт можно рекомендовать вариант включения агрегата, показанный на рис. 5,а.

Рис. 5. Электрические схемы включения громкоговорителей акустического агрегата

Для стереофонических усилителей с одним низкочастотным громкоговорителем схема упрощается. На рис.5,б, например, показана схема подключения агрегата к звуковой колонке магнитофона «Яуза-10».

Дроссели намотаны на пластмассовых каркасах диаметром 25 мм.

Ширина намотки 30 мм. Дроссель Др1 (рис. 5,а) содержит 150, а Др1 (рис. 5,б) — 100 витков провода ПЭВ-2 1,04.

И в заключение хочется предупредить радиолюбителей, что использование описанного акустического агрегата целесообразно только в том случае, если полоса рабочих частот усилителя превышает 8-10 кГц. При меньшей полосе его применение становится неоправданным и малоэффективным.

Стереофоническое звуковоспроизведение получило в настоящее время всеобщее признание за более высокую (по сравнению с монофоническим) естествен­ность звучания.

Носителями стереофонической информации являются временная Дт и интен-сивностная AL разности сигналов левого и правого каналов.

Рис. 1. Искажения пространственной панорамы при боковом смещении слушателя

Интенсивностная разность определяется выражением ДL=201g(P 2 /P 1), где Р 1 и P 2 - звуковые давления, развиваемые левым и правым громкоговорителями, обозначенными В1 и В2 на рис. 1.

При асимметричном расположении слушателя относительно акустических систем левого и правого каналов или при не идентичных характеристиках узлов стерео­фонического комплекса возникают дополнительные временные и интенсивностные разности сигналов. Это приводит к тому, что действительная стереопанорама будет отличаться от исходной (задуманной звукорежиссером), т. е. возникают пространственные искажения.

Появление пространственных искажений сопровождается также рядом других изменений. Прежде всего теряется раздельность восприятия отдельных частей звуковой панорамы, а также нарушается музыкальный баланс в стереопанораме или баланса громкостей.

Последние исследования показали, что при дополнительной разности ДL=3 дБ источник звука смещается на 0,4 м в сторону громкоговорителя, излу­чающего сигнал с большим уровнем, а при ДL=6 дБ - на 0,8 м. Например, при введении дополнительного временного сдвига Дт=0,5 мс при базе 5=1,8 м звук от рояля смещается на 0,5 м в сторону громкоговорителя, излучающего опережающий сигнал. Эти отклонения равносильны перемещению слушателя вдоль линии базы и приводят к искажению пространственной звуковой панорамы (рис. 1). Наиболь­шее смещение от первоначального положения претерпевают источники звука 2, 4, расположенные в средней части панорамы.

Для источников, расположенных в позициях громкоговорителей, пространствен­ные искажения практически отсутствуют, так как ДL>20 дБ и Дт>3 мс.

При введении дополнительного временного сдвига Дт=5…15 мс локализация источника звука затрудняется, звучание приобретает гулкость и объемность. Для качественной локализации источника звука величина Дт должна быть меньше 3…4 мс.

Чтобы избежать пространственных искажений стереопанорамы, характеристики усилителей низкой частоты, акустических систем и электропроигрывающих. уст­ройств должны удовлетворять определенным требованиям.

Исследования в этой области позволили сформулировать ряд требо­ваний к стереофоническим транзисторным усилителям низкой частоты и акусти­ческим системам и обосновать соответствующие технические решения.

Для получения низкого коэффициента гармонических и интермодуляционных искажений транзисторные усилители мощности должны иметь:

расширенный диапазон частот, для чего выходные каскады рекомендуется включать по схеме с общим коллектором и компенсацией по опережению и запаздыванию;

малый коэффициент общей отрицательной обратной связи для обеспечения устойчивости усилителя с расширенным диапазоном частот и ослабления дина­мических искажений;

каскады с местными отрицательными обратными связями и использованием комплементарных пар транзисторов; работающих в режиме класса А;

каскады с гальваническими связями для получения линейной фазочастотной характеристики;

более высокую перегрузочную способность для ослабления динамических искажений.

Для уменьшения временных сдвигов стереофонические усилители должны иметь идентичные фазочастотные характеристики 1ФЧХ), что достигается под­бором радиоэлементов с разбросом не более ±2%.

Коэффициент гармонических искажений в усилителях звуковой частоты не должен превышать 0,05% в диапазоне частот 30..,20 000 Гц.

Акустические системы должны иметь по возможности равномерную ампли­тудно-частотную характеристику (АЧХ) и близкую к линейной фазочастотную характеристику в диапазоне воспроизводимых частот.

Акустические системы для стереофонического звуковоспроизведения обычно имеют очень узкую зону стереоэффекта. Для слушателей, расположенных сбоку от оси симметрии системы, звучание становится монофоническим. Этот недостаток можно ослабить расширением зоны стереоэффекта. Иными словами, изменением характеристик направленности громкоговорителей оказывается возможным ком­пенсировать действие на орган слуха возникшей временной разности и разности уровней при асимметричном расположении относительно левого и правого гром­коговорителей.

Характеристика направленности излучения среднечастотного громкоговорителя на частотах 3000….5000 Гц может быть. улучшена, если диаметр диффузора громкоговорителя не превышает 80 мм . Дальнейшее улучшение обеспечивается постановкой акустических линз.

Другим недостатком акустической системы является то, что громкоговорители имеют большие искажения и неравномерности АЧХ по звуковому давлению, осо­бенно в области низших частот звукового диапазона, где подвижная магнитная система колеблется с большой амплитудой. Причинами искажений обычно являются выход звуковой катушки за пределы магнитного зазора и нелинейность упругой подвески диффузора.

Большей равномерности АЧХ, уменьшения амплитуды перемещения подвижной системы и соответственно снижения нелинейных и интермодуляционных искажений можно добиться изменением добротности подвижной системы громкоговорителя, т. е. степени ее демпфирования. Управлять демпфированием можно изменением выходного сопротивления усилителя звуковой частоты с иомощью положительной обратной связи по току нагрузки или датчика скорости (ускорения), установленного на диффузоре. Степень демпфирования будет выше, если громкоговоритель имеет более высокое звуковое давление и легкий диффузор.

При большой неравномерности АЧХ громкоговорителя (±15 дБ) по звуковому давлению вводятся дополнительные интенсивностные разности звучания сигналов в диапазоне звуковых частот по каналам. Эту разность можно уменьшать эква­лайзером, но для этого нужно определить действительные АЧХ обоих громкого­ворителей, что очень затруднено. К тому же при уменьшении неравномерности АЧХ по звуковому давлению эквалайзером вводятся дополнительные временные сдвиги сигналов по каналам стереоусилителя.

Определенного выравнивания ФЧХ громкоговорителя можно достигнуть расположением акустических центров динамических головок в одной плоскости . Однако указанная мера часто оказывается недостаточной, так как фазовые сдвиги зависят от скорости распространения звуковых волн по поверхности диффузора. Наилучшие результаты дает выдвижение вперед низкочастотного громкоговорителя по отношению к ереднечастотному, а среднечастотного - по отношению к высо­кочастотному.

Электропроигрывающее устройство - это третий важный узел звуковоспроиз­водящего комплекса.

Искажения в Электропроигрывающее устройство вносят головка звукоснимателя, тонарм и механический узел. Головка звукоснимателя должна иметь эллипсную иглу, так как форма эллипса в большей степени приближена к форме резца для пластинки, чем сфера.

Существенно меньшие искажения при звуковоспроизведении механической запи­си вносят многорадиусные игры (например, так называемая S-игла), которые также улучшают надежность следования тонарма по канавке пластинки и повы­шают переходное, затухание между стереоканалами на высоких частотах . Более высокое качество звучания обеспечивает магнитодинамическая головка звуко­снимателя, так как у нее интермодуляционные искажения меньше, чем у электро­магнитной головки.

Для снижения искажений, вызываемых тонармом, необходимо подавление резонансов, так как на резонансной частоте резко возрастает механическое сопро­тивление звукоснимателя.

Подавление резонансов осуществляется механическим демпфированием тонарма, демпфирование в области низших частот - гибкой связью между трубкой тонарма и противовесом посредством резиновой муфты.

Высокочастотный резонанс демпфируется заполнением трубки тонарма дре­весной массой или углеродистыми нитями толщиной примерно 1-10~~? мм, пропи­танными эпоксидной смолой без отвердителя (декремент затухания пропитан­ных углеродистых нитей более трех). Коэффициент детонации движущегося механизма электропроигрывающего устройства (диска) не должен превышать 0,1%, а уровень помех от вибраций движущего механизма - 60 дБ, измеренный по взвешенной характеристике, или - 40 дБ - по широкой характеристике .