Статья "Громкоговорители, часть 1"

Автор: 
Ирина Алдошина
Дата первой публикации: 
сен 2007

Термины, определения, история развития.

Одним из самых знаменитых изобретений ХХ века является громкоговоритель. Именно его появление (наряду с микрофоном) обеспечило возможность развития систем звукозаписи и звуковоспроизведения. В настоящее время громкоговорители относятся к самым массовым видам звуковой аппаратуры (по приблизительным подсчетам их промышленный выпуск достигает 500 млн. штук в год). От качества звучания громкоговорителей в значительной степени зависит качество звука в системах звукоусиления, радиовещания, телевидения, звукозаписи и домашнего воспроизведения.

Именно поэтому исследованием физических процессов преобразования звука в громкоговорителях, созданием их математических моделей и алгоритмов, программных продуктов для их расчета и проектирования занимаются десятки университетов и научных центров, а производством — сотни крупнейших фирм. Неудивительно, что практически на всех международных конгрессах AES (Audio Engineering Society) работают специальные научные секции и семинары, посвященные этим проблемам, а на выставках в рамках этих конгрессов представляются новые модели и технические решения.

В предлагаемой серии статей, посвященной громкоговорителям, будет рассказано о принципах работы, конструкции и технологии современных громкоговорителей и методах их расчета.

В первой статье будут даны основные термины и определения, а также краткая история развития громкоговорителей.

Терминология
Прежде всего, необходимо остановиться на принятой в настоящее время терминологии в международных и отечественных стандартах и технической литературе (поскольку здесь существует большая путаница). В соответствии с международными и отечественными стандартами термин "громкоговоритель" применяется к "устройствам, предназначенным для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащим одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтров, регуляторов и т. д.)". Таким образом, этот термин обозначает любой акустический преобразователь, излучающий звук в воздушную среду. Одиночный излучатель обозначается в отечественном стандарте ГОСТ 16122-87 как "головка громкоговорителя" (в зарубежных каталогах иногда используются термины "loudspeaker unit", "loudspeaker drive element" или "driver").

Однако в технической литературе (учебниках, статьях и пр.) термин "громкоговоритель" применяется, в основном, для одиночного громкоговорителя. Устройство, содержащее громкоговорители, фильтры, корпус и другие части, называется "акустическая система". В зависимости от области применения, она может обозначаться как "акустическая система" (в основном, для домашнего применения), "акустический студийный агрегат" ("контрольный агрегат", "монитор"), "звуковая колонка" и т. д. В зарубежной литературе часто используются термины "acoustical system" или "loudspeaker system". Поэтому каждый раз приходится понимать по содержанию, о чем идет речь: о головках громкоговорителей или об акустических системах.

Независимо от области применения (в студийной технике, в системах звукоусиления, в домашних системах звуковоспроизведения) все громкоговорители (акустические системы) состоят из следующих основных элементов (рис. 1):

- излучателей (головок громкоговорителей), каждый из которых (или несколько одновременно) работает в своем частотном диапазоне;
- корпуса, который может состоять как из нескольких отдельных блоков (каждый для излучателей своего диапазона), так и представлять единую конструкцию;
- фильтрующе-корректирующих цепей, а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т. д.);
- звуковых кабелей и входных клемм; усилителей (для активных акустических систем) и кроссоверов (активных фильтров), в случае применения отдельных усилителей для каждой полосы частот.

Набор элементов (количество головок громкоговорителей, использование активных или пассивных фильтров, форма и конструкция корпусов и т. д.) может значительно варьироваться для разных видов акустических систем в зависимости от их назначения, но принципы их построения, методы расчета и технология изготовления во многом похожи.

Прежде чем переходить к анализу этих вопросов, кратко остановимся на истории создания основных элементов громкоговорителей (излучателей, корпусов, фильтров).

История развития
Попытки создания первых излучателей звука начались в конце XIX века. В 1874 году немецкий инженер Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens), основатель компании Siemens, описал магнитоэлектрический аппарат, в котором круглая катушка с намотанной проволокой располагается в радиальном магнитном поле со специальной поддержкой для обеспечения возможности вертикального смещения (патент номер 149797). Он указал тогда, что этот двигательный механизм может использоваться для получения звука, но не продемонстрировал это на практике. В 1877 году Сименс зарегистрировал в Германии и Англии еще два патента, в которых были описаны основные черты электродинамического громкоговорителя, впоследствии использовавшиеся в различных промышленных конструкциях.

В 1876 году американский ученый Александр Белл (Alexander Bell) запатентовал телефон и продемонстрировал его звучание с использованием преобразователя очень похожего типа. В период 1898-1915 годов был зарегистрирован целый ряд патентов (изобретатели Oliver Joseph Lodge, John Matthias Augustus Stroh, Anton Pollak и др.), касающихся введения отдельных элементов: конической диафрагмы, центрирующей шайбы и т. д. Все эти излучатели работали с рупорами, первые образцы которых показаны на рис. 2.

В период 1915-1918 годов инженеры Harold D. Arnold и Henry Egerton из фирмы Bell Labs создали головки громкоговорителей, работающие по принципу "балансной арматуры" (иногда этот принцип называют "уравновешенный якорь", но "балансная арматура" — устоявшийся термин). В этой конструкции переменный ток подавался на обмотку, расположенную на стальном стержне, который двигался за счет взаимодействия с магнитным полем и, соответственно, толкал конус, нагруженный на рупор (рис. 3). Хотя из-за большой жесткости арматуры диапазон воспроизведения был очень ограничен, такое устройство использовалось вплоть до 30-х годов ХХ века. Первые модели рупорных громкоговорителей для систем озвучивания в театрах и на улицах (например, в 1919 году в Нью-Йорке на Park Avenue, в 1920 году в Чикаго на республиканском конгрессе и т. д.) использовали излучатели именно этого типа.

Революционный перелом в развитии электродинамических громкоговорителей произошел в 1925 году, когда инженеры Честер Райс (Chester W. Rice) и Эдвард Келлог (Edward W. Kellogg) из фирмы General Electric (США) опубликовали статью "Заметки по созданию нового типа безрупорного громкоговорителя" в журнале "Труды американского общества электроинженеров" (т. 44, апрель 1925 года). Эти инженеры навсегда вошли в историю звукотехники как первооткрыватели одного из великих изобретений XX века, основные элементы конструкции которого сохранились до настоящего времени. Фактически был создан электродинамический преобразователь со звуковой катушкой и диафрагмой, работающей в диапазоне выше ее резонансной частоты. На этом принципе был разработан первый лабораторный макет громкоговорителя и одновременно собран макет лампового усилителя, обеспечивающего достаточную мощность в полном диапазоне частот.

Уже в 1926 году появилась первая промышленная модель такого громкоговорителя под названием Radiola Model 104 со встроенным усилителем мощностью 1 Вт. Одновременно на рынок был выпущен радиоприемник Radiola 28, который работал с данным громкоговорителем. С этого момента в мире началось массовое производство таких громкоговорителей.

Интересно отметить, что почти одновременно работы по созданию электродинамических громкоговорителей велись и в России. В 1923 году в Петрограде была создана Центральная радиолаборатория (ЦРЛ), позднее переименованная в Институт радиовещательного приема и акустики (ИРПА). С первых дней создания в ИРПА проводились разработки громкоговорителей. В 1926 году был создан электромагнитный громкоговоритель "Рекорд" и электромагнитный рупорный уличный громкоговоритель ТМ, которые начали выпускаться на заводе им. Кулакова. В 1929 году А. А. Харкевич и К. А. Ламагин разработали в ИРПА первый образец динамического громкоговорителя (прямого излучения и рупорного), производство которых было начато в 1931 году на заводе им. Козицкого и на Киевском радиозаводе.

Уже в 1930-32 годах были созданы первые мощные громкоговорители для звукоусиления на Красной площади в Москве (мощностью 100 Вт). С 1935 года в стране начался массовый выпуск электродинамических громкоговорителей. Нужно отметить, что объем их выпуска неуклонно нарастал. К началу 90-х объем выпуска электродинамических громкоговорителей в нашей стране составлял 70 млн. в год (Рязанский радиозавод — объем выпуска 15 млн. в год, Гагаринский радиозавод — 13 млн., Бердский радиозавод, НПО "Радиотехника" в Риге и др.).

С появлением промышленных образцов электродинамических громкоговорителей практически все модели рупорных громкоговорителей стали использовать их в качестве излучателей. Создание рупорных громкоговорителей с конструкцией, близкой к современной, началось с работы инженеров Альберта Тураса (Albert L. Thuras) и Эдварда Венте (Edward Christopher Wente), в 1927 году запатентовавших узкогорлый рупорный громкоговоритель, в котором использовалась предрупорная камера и специальная линза (тело Венте).

Развитие звукового кино потребовало создания акустических систем, обеспечивающих достаточную громкость и разборчивость звука. Это привело к появлению многополосных систем. Одной из первых была продемонстрированная Дугласом Ширером (Douglas Shearer) двухполосная акустическая система, состоящая из низкочастотных свернутых рупоров и высокочастотного многоячеистого рупора с использованием электродинамических громкоговорителей. Система воспроизводила диапазон 40-10000 Гц и имела довольно высокую чувствительность (рис. 4). В 1938 году она получила премию Академии киноискусств и наук, и стала своего рода эталоном для последующего развития многополосных систем озвучивания в кино, театрах и др.

С началом создания многополосных акустических систем появилась необходимость в использовании разделительных фильтров между низко-, средне- и высокочастотными громкоговорителями. Первая статья по теории фильтров для громкоговорителей появилась в 1936 году (авторы John K. Hilliard и Harry R. Kimball). В ней была дана теория расчета фильтров Баттерворта первого-третьего порядка, которые к 50-м годам были признаны как наиболее предпочтительная форма для акустических систем.

В период 1940-50 годов развивались, в основном, мощные рупорные акустические системы и соответствующие головки громкоговорителей для профессиональных целей озвучивания залов кино и театров (фирмы JBL, Altec Lancing и др.).

В домашних условиях использовались большие электродинамические головки без оформления. Однако из-за короткого акустического замыкания в них не удавалось получить низкие частоты. Первые многополосные акустические системы использовали большие корпуса "открытого типа" объемом 300-500 куб. дм (литров), при этом воспроизводимый диапазон частот начинался с 80-100 Гц.

Подлинная революция в бытовой технике началась с 1954 года, когда один из основателей фирмы AR (Acoustical Research) Edgar M. Villchur показал на выставке в Нью-Йорке маленькую акустическую систему AR-1, основанную на совершенно новом принципе, получившем название "акустический подвес" или корпус "компрессионного типа". Идея этого изобретения, открывшего дорогу современным системам домашнего применения, состояла в том, что для получения низких частот использовался корпус маленьких размеров, упругость воздушного объема в котором более чем в три раза превышала упругость подвеса низкочастотного громкоговорителя. В этом случае подвижная система громкоговорителя как бы "садится" на упругую воздушную подушку. Поскольку воздух — среда линейная, то это позволяет увеличить смещение диафрагмы громкоговорителя без увеличения нелинейных искажений и, тем самым, получить воспроизведение низких частот в небольшом объеме.

Создание таких систем потребовало изменения принципов проектирования низкочастотных громкоговорителей, они должны были обладать тяжелой подвижной системой, гибким подвесом, большой звуковой катушкой и магнитной цепью для обеспечения возможности подведения большой мощности от усилителей. Появление маленькой по объему акустической системы, которая уверенно воспроизводила низкочастотную часть диапазона, вызвало изумление специалистов и открыло широкую дорогу для развития домашних акустических систем категории Hi-Fi.

Концепция создания аппаратуры High-Fidelity (высокая верность; то есть аппаратуры, обеспечивающей максимальное соответствие живому звуку), выдвинутая в 60-е годы фирмой KEF (Англия), послужила мощным толчком в развитии как бытовых, так и профессиональных акустических систем: совершенствовании конструкции всех элементов (головок громкоговорителей, корпусов, фильтров), технологии их изготовления, разработке новых методов измерения параметров, а также создании теории их расчета. К производству и разработке громкоговорителей подключились сотни фирм, научных центров и университетов.

Прогресс в развитии корпусов акустических систем был связан, прежде всего, с появлением большого разнообразия их конструкций: наряду с закрытыми корпусами компрессионного типа (о которых сказано выше), в 1959 году инженер James F. Novak из компании Jensen представил концепцию создания корпусов с фазоинвертором (идея была запатентована Альбертом Турасом еще в 1930 году), что позволило увеличить уровень звукового давления в области низких частот.

В настоящее время используется большое многообразие конструкций низкочастотных оформлений: с пассивным излучателем, с двойной камерой, типа "лабиринт", типа "полосовой фильтр" и др. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки (об этом поговорим в следующих статьях). Принципиально важным этапом в их развитии явилась создание в 1971-1973 годах теории расчета низкочастотных оформлений (авторы Neville Thiele и Richard Small), основанной на аналогии с теорией фильтров. Это позволило перевести на научную основу проектирование корпусов, создать соответствующие компьютерные программы, которые широко используются в практике проектирования громкоговорителей. Для обеспечения качественного воспроизведения средних и высоких частот были отработаны различные способы звуко- и виброизоляции, а также созданы овальные формы корпусов (в основном для высокочастотных громкоговорителей) для снижения дифракционных искажений.

Поскольку подавляющее большинство акустических систем строилось по многополосному принципу, это обусловило значительный прогресс в создании разделительных фильтров, которые стали выполнять не только функции разделения частотной полосы между низко-, средне- и высокочастотными громкоговорителями, но симметризировать характеристику направленности в области полосы разделения. В настоящее время имеется большое количество компьютерных программ, которые позволяют оптимизировать параметры фильтров, например, CACD, CALSOD, Filter Designer and LEAP4.0 и др.

Существенные изменения произошли и в головках громкоговорителей. Наряду с электродинамическими, начали выпускаться излучатели, построенные на других принципах преобразования: электростатические, излучатели Хейла, пьезопленочные и т. д. (подробнее о них поговорим в следующих статьях).

Что касается электродинамических громкоговорителей, то предложенная Райсом и Келлогом конструкция оказалась настолько удачной, что принципиальных изменений в ней не произошло, прогресс шел в основном в области технологии.

Можно отметить следующие оригинальные конструкторские решения, появившиеся в 50-70 годах.

В 1958 году Edgar Villchur представил модель акустической системы AR-3 с принципиально новым по конструкции высокочастотным излучателем: диафрагма была изготовлена в виде купола, центрирующая шайба отсутствовала, а звуковая катушка крепилась прямо к диафрагме. Появление такой конструкции решило очень важную проблему: расширения характеристики направленности в области высоких частот за счет применения небольшой по размерам полусферической диафрагмы.

Появились мощные низкочастотные громкоговорители с диафрагмами, имеющими специальные ребра жесткости; примером может служить модель коаксиального излучателя RCA-15, которую предложил инженер Harry Ferdinand Olson в 1954 году.

Появилась принципиально новая конструкция коаксиального громкоговорителя, созданная фирмой Tannoy (Англия) в 1947 году (рис. 5). Идея состояла в том, чтобы ликвидировать разнесение источников низких и высоких частот в пространстве и добиться излучения их из одной точки, что ликвидирует фазовые сдвиги между ними и улучшает характеристики направленности. В такой конструкции высокочастотный громкоговоритель с купольной диафрагмой и специальным распределителем излучал через отверстие в керне низкочастотного громкоговорителя, диффузор которого служит для него рупором.

Были разработаны конструкции громкоговорителей (сначала высокочастотных, затем и средне-низкочастотных) с использованием специальной магнитной жидкости (ferrofluid) в зазоре для отвода тепла и повышения демпфирования при больших амплитудах.

Последние достижения
Основные успехи в развитии электродинамических громкоговорителей за последние десятилетия были достигнуты в технологии. Возросшие мощности усилителей (300-500 Вт), требования к неискаженной передаче больших динамических диапазонов (максимальный уровень звукового давления ~130-140 дБ), к снижению уровня линейных и нелинейных искажений, привели к существенным изменениям как в выборе материалов, так и в технологии изготовления многих элементов электродинамических громкоговорителей.

В низкочастотных громкоговорителях технологические изменения коснулись всех элементов. Подвесы начали изготавливаться из специальных материалов (натуральных резин, пенополиуретанов, прорезиненных тканей, натуральных и синтетических тканей со специальными демпфирующими покрытиями) и приобрели особую форму: полутороидальные, sin-образные, S-образные и др. Диафрагмы низкочастотных громкоговорителей (первые из которых в 20-е годы делали из пергамента или натуральной кожи) в настоящее время изготавливаются из довольно сложных композиций на основе натуральной длинно-волокнистой целлюлозы с различными добавками, повышающими ее прочность, жесткость и демпфирующие свойства (например, волокнами шерсти, льна, углестекловолокна, графитовыми чешуйками, металлическими волокнами, влагозащитными и демпфирующими пропитками). О степени сложности таких композитов можно судить по тому, что в них используются до 10-15 составляющих.

Однако, наряду с композициями из натуральных целлюлоз, для диафрагм низкочастотных громкоговорителей применялись и применяются различные композиционные материалы, как правило, разработанные ранее для аэрокосмической и военной техники: многослойные сотовые материалы, вспененные металлы и т. д. В настоящее время для диафрагм низкочастотных громкоговорителей многими известными фирмами (JAMO, KEF, Cabasse, Tannoy и т. д.) все шире применяются синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) и композиционные материалы на основе высокомодульной ткани "кевлар" (В&W, Audix и т. д.).

Применение таких диафрагм позволяет обеспечить в лучших моделях низкочастотных громкоговорителей гладкие АЧХ до 1500...2500 Гц, что почти на две октавы выше частот раздела, часто используемых в трехполосных акустических системах (400...600 Гц). Примером современной конструкции низкочастотного громкоговорителя может служить одна из последних моделей низкочастотного излучателя фирмы JBL, показанная на рис. 6. В ней используется магнитная цепь с неодимовым магнитом, звуковая катушка с двойной обмоткой, что позволяет работать при больших мощностях без искажений, диафрагма из композитного материала с угольными волокнами и другие достижения современных технологий.

Особые изменения произошли в технологии изготовления высокочастотных громкоговорителей, где современные достижения космической техники находят особенно эффективное применение. Примером одной из самых современных конструкций может служить высокочастотный громкоговоритель фирмы Tannoy модель Prestige ST-200, где используется купольная диафрагма диаметром 25 мм и толщиной 25 мк, изготовленная из титана с напыленным слоем золота, магнит из неодима и др., что позволило получить совершенно уникальные параметры: частотный диапазон до 54 кГц при неравномерности -6 дБ, до 100 кГц при неравномерности -18 дБ, паспортная мощность 135 Вт (пиковая 550 Вт), чувствительность 95 дБ/В/м.

Если сравнить конструкции последних двух громкоговорителей с первыми моделями электродинамических громкоговорителей, то видно, какой путь прошло это изделие за почти сто лет с момента своего создания и каких параметров удалось достичь.

Профессиональные громкоговорители для систем озвучивания и звукоусиления развивались в основном по пути увеличения мощности и формирования заданной характеристики направленности. Создано большое разнообразие видов рупоров: дифракционные, радиальные, равномерного покрытия, свернутые и т. д. Появились новые виды излучателей — мощные линейные массивы, состоящие из отдельных активных многополосных блоков с управляемой характеристикой направленности.

Если проанализировать основные направления в развитии громкоговорителей на современном этапе (например, по материалам конгрессов AES за последние годы), то можно выделить следующие тенденции:
- появление новых параметров, значительно лучше коррелирующих со слуховым восприятием,
- создание новой цифровой метрологии, позволяющей проводить измерения более широкого круга параметров в незаглушенных помещениях,
- использование методов цифровой фильтрации для снижения линейных и нелинейных искажений,
- поиски путей создания цифровых громкоговорителей,
- разработка адаптивных цифровых процессоров для согласования параметров громкоговорителей с характеристиками помещения, в которых они установлены.

Подробнее об особенностях конструкции, технологии, методах уменьшения искажений в современных электродинамических громкоговорителях будет рассказано в следующих статьях цикла.

Другие статьи серии
Громкоговорители, часть 2.1. Электроакустические измерения. Линейные искажения.
Громкоговорители, часть 2.2. Нелинейные искажения. Мощность. Импеданс. Электромеханические параметры.
Громкоговорители, часть 3.1. Конструкция электродинамических громкоговорителей. Причины возникновения линейных искажений.
Громкоговорители, часть 3.2. Конструкция электродинамических громкоговорителей. Причины возникновения нелинейных искажений.
Громкоговорители, часть 4. Нетрадиционные громкоговорители: ленточные и излучатели Хейла.
Громкоговорители, часть 4.2. Нетрадиционные громкоговорители: электростатические и пьезопленочные.
Громкоговорители, часть 5.1. Корпуса акустических систем. Конструкции.
Громкоговорители, часть 5.2. Корпуса акустических систем. Методы расчета.
Громкоговорители, часть 6. Разделительные фильтры в акустических системах.
Громкоговорители, часть 7. Звуковые кабели в акустических системах.
5
Ваша: нет Средняя: 5 (голосов: 3)

Реклама

Рейтинг@Mail.ru