Виброизоляция акустических систем


Виброизоляция акустических систем

Виброизоляция акустических систем

Виброизоляция акустических систем

Качество звука, которое приемлемо и предпочтительно для слуха, почти всецело зависит от того, к чему слушатель привык.

Очень немногие люди с натренированным слухом могут судить о качестве звука с разумной точностью и в объективных выражениях.

Наиболее слабым звеном звукового тракта чаще всего бывает акустическая система. И это не случайно. Спроектировать ее — технически очень сложная задача, связанная со многими физическими ограничениями. Главной проблемой обычно является воспроизведение наинизших частот звукового диапазона. На этих частотах громкоговоритель должен излучать звуковые волны достаточно большой длины. Если на частоте 300 Гц длина звуковой волны составляет немногим более метра, то на частоте 30 Гц она составляет уже 11 метров. Диффузор громкоговорителя, двигаясь вперед, создает волну сжатия. Но в то же самое время на задней стороне диффузора возникает волна разряжения, и если скорость движения диффузора невелика, то воздух просто перетекает от передней стороны диффузора к задней, не создавая звуковой волны в окружающем пространстве. Возникает так называемое акустическое короткое замыкание.

Самый простой способ улучшить воспроизведение низких звуковых частот — поместить головку громкоговорителя на акустический экран — щит большого размера. Экран эффективно действует до тех пор, пока расстояние от передней стороны диффузора до задней, измеренное в обход края экрана, будет больше половины длины звуковой волны, т.е. для упомянутой нами частоты 30 Гц нужен экран с размером стороны 5,5 метров. Конечно, если очень хочется реально воспроизвести эту частоту, можно просверлить отверстие в стене, разделяющей две смежные комнаты, вставить в это отверстие головку громкоговорителя. Ну а если серьезно? Попробуем загнуть края экрана. Получится коробка без задней стенки. Можно сделать коробку побольше, а те низкие частоты, которые все-таки воспроизводятся плохо, "поднять" в усилителе звуковой частоты. Так, в свое время, делали, чтобы понизить диапазон воспроизводимых частот до 70 - 60 Гц.

Современные акустические системы изготавливаются с закрытой задней стенкой и обрабатываются внутри звукопоглощающим материалом. Таким образом устраняется акустическое короткое замыкание на низких и улучшается качество воспроизведения на средних частотах. Однако низкий К.П.Д. головки громкоговорителя, который, как известно, даже ниже, чем у паровоза, при использовании закрытого ящика уменьшается вдвое. Конструкторам приходится решать целый ряд проблем, связанных с увеличением отдачи головок громкоговорителей.

Именно поэтому высококачественные акустические системы так сложны и дороги.

Устройство акустической системы, на первый взгляд, выглядит обманчиво простым. Две или несколько головок громкоговорителей установлены в деревянном ящике и подключены проводами к усилителю. Однако считать, что несколько установленных в ящике головок могут выполнять роль акустической системы для высококачественного воспроизведения звука - глубокое заблуждение.

Головка громкоговорителя, установленная в ящик, который играет роль акустического оформления, называется громкоговорителем. Акустической системой называется громкоговоритель, содержащий одну или несколько головок, излучающих звук в различных областях звукового диапазона частот. Головки громкоговорителей подразделяются на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и широкополосные.

В зависимости от типа электроакустического преобразователя электрического сигнала в колебания воздуха, окружающего головку, головки бывают электростатическими, электромагнитными, пьезоэлектрическими, плазменными и электродинамическими. Наибольшее распространение получили электродинамические головки громкоговорителей.

Электродинамическая головка громкоговорителя с подвижной катушкой была впервые изобретена и запатентована в 1925 году фирмой General Electric и с тех пор не претерпела принципиальных изменений.

Любая электродинамическая головка подвижной системы, магнитной системы и диффузородержателя. В свою очередь, подвижная система состоит из диффузора, внешнего подвеса, центрирующей шайбы и звуковой катушки.

Диффузор является основным элементом подвижной системы. Диффузоры низкочастотных головок всегда имеют форму конуса. Среднечастотные и высокочастотные головки могут иметь диффузоры как в виде конуса (конусные головки), так и в виде сферы (купольные головки). Диффузоры конусных головок изготавливают методом литья из бумажной массы с различными добавками (шерсть, хлопок и пр.), вводимыми для получения необходимых физико-механических свойств, от которых во многом зависит качество звучания. В последнее время в производстве головок нашли широкое применение диффузоры из синтетических материалов, в частности, из полипропилена. Некоторые фирмы применяют для изготовления диффузоров конусных головок металлические сплавы, а также используют слоистые конструкции, состоящие из нескольких слоев, выполненных из материалов с разными физико-механическими свойствами. Такие сложные конструкции применяют для улучшения качества звучания громкоговорителей. С указанной целью бумажные диффузоры в процессе производства подвергают пропитке специальными составами.

Различают диффузоры с прямолинейной и криволинейной образующей конуса. Диффузоры с прямолинейной образующей проще в изготовлении и применялись в головках громкоговорителей в первые годы после их изобретения. В современных головках применяют диффузоры исключительно с криволинейной образующей из-за отсутствия в таких диффузорах так называемых параметрических резонансов, вызывающих посторонние призвуки в звучании. Для борьбы с параметрическими резонансами диффузора на поверхность конуса многие изготовители наносят серию концентрических канавок.

Диффузоры купольных головок изготавливают методом прессования из натуральных и синтетических тканей с последующей пропиткой специальными составами, а также из синтетических пленок и металлической фольги. Вторым элементом подвижной системы электродинамической головки громкоговорителя является внешний подвес, необходимый для поступательного перемещения диффузора при работе головки громкоговорителя. Подвес может быть выполнен как единое целое с диффузором в виде двух- или многозвенного гофра, а также в виде приклеенного к диффузору кольца из резины, каучука, полиуретана и других материалов. К подвесу предъявляются очень жесткие требования в части его упругих свойств. Подвес должен обладать достаточной гибкостью и сохранять линейность упругих свойств во всем диапазоне смещений подвижной системы головки громкоговорителя. Выполнение первого условия необходимо для получения низкой частоты основного (собственного) резонанса подвижной системы головки громкоговорителя, что очень важно для хорошего воспроизведения самых низких частот. Второе условие должно соблюдаться для обеспечения низких нелинейных искажений. Выполнение перечисленных условий достигается применением для изготовления подвеса соответствующих материалов и выбором подходящей его формы (формы и количества канавок, их высоты и т.п.). В современных головках громкоговорителей применяют подвесы, имеющие в сечении S-образную, тороидальную форму.

Центрирующая шайба является третьим элементом подвижной системы, оказывающим влияние на качество головки громкоговорителя. Ее назначение - обеспечить правильное положение звуковой катушки в воздушном зазоре магнитной системы головки. Для этого центрирующая шайба должна обладать минимальной гибкостью в радиальном и максимально возможной гибкостью в осевом направлении. Выполнение первого условия необходимо для обеспечения механической надежности головки (отсутствия касания звуковой катушкой стенок зазора магнитной системы), второго - для обеспечения низкой частоты ее основного резонанса. Кроме того, центрирующая шайба должна сохранять линейность характеристик упругости во всем диапазоне перемещения подвижной системы головки громкоговорителя. От этого зависит величина нелинейных искажений воспроизводимого головкой сигнала. Центрирующие, шайбы могут быть изготовлены из текстолита, картона, бумаги или ткани. Шайбы из текстолита, бумаги и картона, получившие широкое распространение в 30-40-е годы, в настоящее время полностью вытеснены гофрированными шайбами так называемого коробчатого типа, изготовленными из хлопчатобумажной или шелковой ткани с пропиткой бакелитовым лаком. По внешнему виду такие центрирующие шайбы напоминают цилиндрическую коробку с гофрированным дном и развальцованным в плоское кольцо цилиндрическим краем. Последний элемент подвижной системы  электродинамической  головки громкоговорителя - звуковая катушка. Звуковая катушка наматывается медным или алюминиевым проводом в эмалевой изоляции на бумажный или металлический каркас и пропитывается лаком для предотвращения сползания витков. При протекании тока по звуковой катушке вокруг нее создается электромагнитное поле, при взаимодействии которого с магнитным полем, создаваемым магнитной системой головки, возникает сила Лоренца, которая перемещает звуковую катушку и прикрепленный к ней диффузор в осевом направлении. Таким образом происходит излучение звука головкой.

Магнитная система является важнейшим конструктивным узлом электродинамической головки, во многом определяющим ее электроакустические параметры. Еще в конце 40-х и начале 50-х годов применялись головки с электрическим возбуждением, в магнитных системах которых для создания постоянного магнитного поля служила электрическая катушка, называемая обмоткой возбуждения. Для питания обмотки возбуждения постоянным током требовалось иметь в составе аппаратуры специальные выпрямители с очень хорошей фильтрацией выпрямленного напряжения. Обмотка возбуждения потребляла значительную мощность от источника питания и выделяла при работе головки много тепла. Эти и другие недостатки стали причиной быстрого вытеснения головок с электромагнитным возбуждением головками с возбуждением постоянным магнитом. Все без исключения современные электродинамические головки имеют магнитную систему с постоянным магнитом. Магниты бывают керновыми и кольцевыми. Материалом для изготовления керновых магнитов служат сплавы кобальта и различные марки ферритов. Кольцевые магниты бывают только ферритовыми. Большинство современных электродинамических головок имеют кольцевые ферритовые магниты. В последнее время для изготовления магнитов стали применять специальные сплавы с очень хорошими магнитными свойствами, содержащие редкоземельные металлы. Это позволило существенно повысить чувствительность головок без увеличения их габаритных размеров и веса. Конструкция магнитной системы определяется формой применяемого магнита. Если магнит имеет форму кольца, то магнитная система состоит из двух кольцевых фланцев и цилиндрического керна.

Диаметр керна меньше диаметра отверстия в верхнем фланце. Таким образом образован воздушный зазор, в котором перемещается звуковая катушка. При применении кернового магнита в виде сплошного или полого конуса магнитная система представляет собой закрытый или полуоткрытый магнитопровод. Закрытый магнитопровод состоит из стального стакана, в центре дна которого располагается магнит с полюсным наконечником и кольцевого верхнего фланца. Отверстие верхнего фланца и полюсной наконечник образуют воздушный зазор, в котором находится звуковая катушка. В полуоткрытом магнитопроводе вместо стакана применяется металлическая скоба, а верхний фланец имеет прямоугольную форму. Для изготовления керна, полюсных наконечников и фланцев применяются специальные марки сталей, к магнитным свойствам которых предъявляются весьма жесткие специфические требования. Форма полюсных наконечников и керна оказывает существенное влияние на величину магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы головки и равномерность распределения в нем магнитного потока. От этого зависит чувствительность и уровень нелинейных искажений головки. От размеров керна и полюсных наконечников, а также от величины воздушного зазора зависит и степень нагрева, а значит, и термоустойчивость звуковой катушки. Поэтому в мощных низкочастотных головках применяют полюсные наконечники и керны большого диаметра, а также стремятся увеличивать насколько возможно величину воздушного зазора (при увеличении зазора уменьшается чувствительность головки и для ее сохранения необходимо применение более мощного магнита). В последнее время для улучшения охлаждения звуковой катушки некоторые фирмы стали выпускать головки с заполнением воздушного зазора магнитной системы специальной ферромагнитной жидкостью.

Диффузородержатель соединяет подвижную и магнитную системы электродинамической головки громкоговорителя в единую механически прочную конструкцию. Диффузородержатель имеет окна для выхода воздуха, заключенного между ним и диффузором. При отсутствии окон воздух будет воздействовать на подвижную систему в качестве дополнительной акустической нагрузки, уменьшая отдачу головки и ухудшая ее частотную характеристику в области низких частот. Диффузородержатели изготавливают методом штамповки из специальной конструкционной стали, отливают методами точного литья из легких сплавов, а также прессуют из пластмассы.

Технологические методы изготовления диффузородержателей определяются мощностью и размерами головок. Конструкция диффузородержателя должна обеспечивать вибрационную устойчивость головки для устранения паразитных призвуков в звучании. С этой точки зрения более предпочтительны литые диффузородержатели.

Динамические головки громкоговорителей, как правило, не применяют без акустического оформления, необходимого для получения удовлетворительных результатов. Причина этого заключается в том, что при колебаниях диффузора головки без оформления сгущения воздуха, образуемые одной его стороной, нейтрализуются разряжениями, образуемыми другой стороной. Применение какого-либо акустического оформления удлиняет путь колебаний воздуха между фронтальной и тыльной сторонами диффузора и полной нейтрализации колебаний не происходит. Это особенно важно на низких частотах, где размеры диффузора малы по сравнению с длиной волны акустического излучения.

Корпус акустической системы помимо выполнения своей основной функции - формирования ее амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области низких частот вносит значительные искажения в воспроизводимый сигнал из-за вибрации стенок и колебаний находящегося в нем воздуха. С уменьшением толщины стенок уменьшается величина звукового давления на низких частотах, увеличивается неравномерность АЧХ в области средних частот, возрастают уровень нелинейных искажений и длительность переходных процессов. Эти факторы вызывают так называемые "ящичные" призвуки, ухудшающие качество звучания. Поэтому конструированию корпусов в практике разработки высококачественных акустических систем уделяется самое серьезное внимание. Существуют два источника вибраций, вызывающих излучение звука стенками корпуса акустической системы:

  • возбуждение колебаний находящегося в корпусе воздуха тыльной стороной диффузора установленной в нем головки громкоговорителя и передача колебаний через воздух стенкам корпуса;
  • непосредственная передача вибраций от диффузородержателя головки передней стенке корпуса, а от нее боковым и задней стенкам.

Для уменьшения вибраций стенок конструкторы акустических систем применяют различные методы звукозвукопоглощения, а также виброизоляции и вибропоглощения. Один из широко применяемых способов звукопоглощения состоит в заполнении внутреннего объема корпуса минеральной ватой, специальным синтетическим волокном, шерстью, супертонким стекловолокном и другими материалами. Эффективность звукопоглощающих материалов оценивают коэффициентом звукопоглощения А, равным отношению величины поглощенной энергии Wпогл к величине падающей энергии Wпад. Величина этого коэффициента зависит от частоты, толщины и плотности материала. Для увеличения величины коэффициента звукопоглощения на низких частотах увеличивают толщину звукопоглотителя, а также плотность заполнения им корпуса акустической системы. Однако наличие в корпусе чрезмерного количества звукопоглощающего материала приводит к снижению величины звукового давления на низших частотах и воспроизведению "сухого", невыразительного баса.

Звукоизоляция корпуса акустической системы определяется как количеством и физическими свойствами находящегося внутри него звукопоглощающего материала, так и звукоизолирующими свойствами его стенок. Задача разработчиков акустических систем состоит в том, чтобы максимально увеличить звукоизоляцию корпуса путем грамотного выбора его конструкции и материала стенок. Один из распространенных методов повышения звукоизоляции состоит в увеличении жесткости и массы стенок корпуса. Поэтому некоторые фирмы применяют для изготовления корпусов акустических систем мрамор, пенобетон и даже кирпич. Такие корпуса обеспечивают хорошую звукоизоляцию (до 30 дБ), однако имеют слишком большую массу. Более практичны корпуса, стенки которых изготовлены из двух слоев фанеры или древесностружечных плит с заполнением промежутка между ними песком, дробью или звукопоглощающим материалом. Для снижения амплитуды вибраций стенок корпуса используют вибропоглощающие покрытия в виде листовой резины, жесткой пластмассы, битумных мастик и т.п., наносимые на его внутренние поверхности.

Для уменьшения паразитного звукоизлучения корпуса в области средних и высоких частот применяют конструктивные меры, направленные на повышение собственных резонансных частот стенок корпуса. С этой целью увеличивают толщину стенок и применяют для их изготовления материалы с повышенной жесткостью и пониженной плотностью (к таким материалам относятся вспененные пластмассы, пенобетон с синтетическими наполнителями, древесностружечные плиты с наполнителем из латекса и др.), применяют стяжки или распорки между стенками, устанавливают ребра жесткости. Увеличение длины с одновременным уменьшением ширины стенок корпуса также способствует повышению его собственных резонансных частот. Именно это является одной из причин того, что большинство современных высококачественных акустических систем имеет корпус в виде колонны.

Для борьбы с прямой передачей вибраций от диффузородержателя головки передней стенке, а от нее и другим стенкам корпуса применяют сплошные резиновые прокладки, устанавливаемые между диффузородержателем и передней стенкой, локальные опорные виброизоляторы для крепежных винтов, амортизирующие прокладки между передней и боковыми стенками корпуса, развязку диффузородержателя от передней стенки путем его опоры на дно корпуса и другие способы. На качестве звучания сказывается и внешняя конфигурация корпуса (его форма, наличие отражающих звук выступов и впадин, величина радиуса скругления углов и т.д.), от которой зависит степень проявления дифракционных эффектов, вызывающих нарушение тембральной окраски и стереофонической звуковой картины. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что переход от прямоугольных корпусов с острыми углами к корпусам гладкой формы (например, в виде сферы) позволяет существенно уменьшить неравномерность АЧХ звукового давления в области средних и высших частот. Поэтому многие фирмы-изготовители высококачественных акустических систем устанавливают средне- и высокочастотные головки громкоговорителей в блоки обтекаемой формы в виде сфер, цилиндров, кубоидов со скругленными углами, изолированные от акустического оформления низкочастотных головок.

Для уменьшения неравномерности АЧХ низкочастотного громкоговорителя переднюю стенку прямоугольного корпуса акустических систем выполняют как можно более узкой (насколько позволяют размеры низкочастотной головки). При этом частоты дифракционных пиков и провалов на его АЧХ расположены, как правило, выше частоты среза разделительного фильтра. Уменьшение ширины передней стенки корпуса способствует также расширению диаграммы направленности акустической системы. Глубина корпуса существенно влияет на величину "задержанных" резонансов, которые, по-видимому, и служат причиной давно установленного опытным путем факта, что акустические системы с плоским корпусом субъективно звучат хуже по сравнению с акустическими системами, имеющими достаточно глубокий корпус.

Взято с

 →

← 


Источник: http://baseacoustica.ru/akustika/1-osnovy/9-korotko-ob-akusticheskih-sistemah.html



Виброизоляция акустических систем

Виброизоляция акустических систем

Виброизоляция акустических систем

Виброизоляция акустических систем

Виброизоляция акустических систем