Известно, что громкоговорители при воспроизведении верхних
звуковых частот обладают определенной направленностью, особенно хорошо
заметной при озвучании больших помещений и открытых мест. Это свойство можно
изобразить в виде характеристики направленности, показывающей зависимость
развиваемого громкоговорителем на данной частоте звукового давления в точке,
находящейся на определенном расстоянии от центра внешней поверхности
диффузородержателя или устья рупора громкоговорителя, и от угла между
рабочей осью громкоговорителя и направлением на указанную точку.
Эта характеристика обычно изображается в полярных координатах,
и ее вид зависит от отношения размеров излучающей поверхности (диффузора или
устья рупора) к длине звуковой волны. С повышением частоты (уменьшением
длины волны? или на данной частоте с увеличением размера этой поверхности
характеристика направленности становится более острой (рис. 1). Это
показывает, что звуковые давления, измеренные на одном и том же расстоянии
от громкоговорителя, но под разными углами к его оси, уменьшаются тем
быстрее, чем выше частота и больше угол измерения.
На рис. 1 приведены характеристики направленности
громкоговорителя с диффузором диаметром около 80 мм, рассчитанные при
условии помещения его в бесконечно большом экране (щите). Из них видно, что
уже с 2000 Гц даже такой малый громкоговоритель обладает достаточно
острой направленностью.
Отсюда следует, что частотная характеристика громкоговорителя
будет зависеть от места расположения слушателя (или измерительного
микрофона).
Рис. 1. Расчетные характеристики направленности
громкоговорителя с диффузором диаметром 80 мм, помещенного в бесконечно большом
акустическом экране (щите)
Особо важное значение имеет это свойство при работе
громкоговорителей на открытых пространствах, где не наблюдается отражения
звуков. Здесь условия слышимости определяются только звуком, приходящим от
громкоговорителя, а потому равномерность распределения интенсивности
излучения существенно зависит от вида характеристики направленности.
Отражение звука от границ закрытых помещений уменьшает эту зависимость,
однако направленность излучения важна и для обеспечения равномерного
озвучания таких помещений, особенно если это большие аудитории.
В высокочастотных рупорных громкоговорителях, работающих в
двухполосных агрегатах (30А1, 30А2), входящих в комплект высококачественной
звуковоспроизводящей аппаратуры для кинотеатров (КЗВТ-1 и КЗВТ-2), для
расширения характеристики направленности применяются секционированные
многоячейковые рупоры. Секционирование рупора обеспечивает достаточно
широкую характеристику направленности в рабочей полосе частот. Угол
расхождения всей излучаемой звуковой энергии здесь практически не меняется,
так как определяется веером осей отдельных каналов. Естественно, что они
очень сложны в производстве и дороги, поэтому применяются только в сложной
дорогостоящей аппаратуре.
Необходимость достижения хорошей характеристики направленности
наиболее простыми средствами натолкнула конструкторов на возможность
применения акустических линз.
Рис. 2. Разновидности акустических линз: а—плоскогиперболическая;
б— с переменным показателем преломления
Физические законы акустики во многих случаях аналогичны законам
оптики, так как в основе их лежат колебательные процессы. Поэтому уже давно
в технике ультразвуковых частот (выше 20—25 кГц), применялись
как собирающие, так и рассеивающие акустические линзы. Однако и на частотах,
начиная от 2— 3 кГц и выше, представляется возможным сконструировать
и применить такие линзы. Конечно, для целей расширения характеристики
направленности громкоговорителя линза должна быть рассеивающей и по
конструкции более простой, чем секционированный рупор.
Принцип действия линз основан на разности скоростей
распространения колебаний, присущих той или другой среде. В оптике скорость
распространения света в воздухе (или пустоте)всегда больше, чем в
материалах, служащих для изготовления линз. От формы поверхности линзы
зависит их свойство: выпуклые линзы являются собирающими, а вогнутые
рассеивающими. В акустике мы имеем возможность выбора газовых сред, в
которых скорость звука больше или меньше, чем в воздухе.
Рис. 3. Практическая конструкция звуковой линзы для
диффузорного громкоговорителя
Уже более ста лет назад (в 1852 году)! немецкий физик К.
Зондхаусе применил звуковую собирающую линзу, представляющую собой
двояковыпуклый объем, ограниченный двумя кусками тонкой коллодиевой пленки,
изготовленной в виде участков сферической поверхности и скрепленных
металлическим кольцом. Внутренний объем заполнялся углекислым газом.
Рис. 4. Эскиз рупора с рассеивающей линзой
Однако в акустике возможно выполнение линз не из материалов,
отличающихся различными скоростями распространения в них звуковых волн, а в
виде конструкций, в которых изменение эффективной скорости звука достигается
удлинением пути звуковой волны. Применяя систему щелей, расположенных с
соответствующим наклоном, можно получить нужный эффект. На рис. 2, а
схематично изображена рассеивающая линза, имеющая щели одинакового наклона,
но разной длины. Такая линза называется плоскогиперболической (по форме
плоскостей, которые ее образуют)). Аналогичная по конструкции линза (рис. 2,
б), имеющая щели с разным наклоном, называется линзой с
переменным показателем преломления. Для обеспечения на выходе сферического
или кругового цилиндрического распространения звуковых волн угол наклона
щелей должен изменяться по мере удаления от оси линзы по определенному
закону.
Рис. 5. Внешний вид кинотеатрального громкоговорителя 30А3 с
рассеивающей звуковой линзой
На рис. 3 показана практическая конструкция акустической линзы,
выполненной в виде приставки к диффузорному громкоговорителю. Однако с
большим эффектом акустические линзы могут применяться в высокочастотных
рупорных громкоговорителях, дополняя имеющийся рупор Такие конструкции, в
основу которых легли линзы с переменным показателем преломления, нашли
широкое распространение в громкоговорителях, установленных в кино. Их расчет
и конструкция были разработаны во Всесоюзном научно-исследовательском
кинофотоинституте Б. Белкиным. Они представляют систему наклонных каналов,
симметрично расположенных в вертикальной плоскости, причем угол наклона щели
увеличивается по мере удаления по обе стороны от рабочей оси
громкоговорителя. Чем больше угол наклона, тем больше путь звуковой волны и
тем шире будет характеристика направленности. Однако существует предельный
угол наклона, при превышении которого звуковые колебания не смогут проходить
сквозь каналы, а будут отражаться обратно. Величина предельного угла зависит
от размеров устья рупора, для которого рассчитывается линза, а также от тех
требований, которые предъявляются к линзе. Эскиз такой линзы (с переменным
показателем преломления) вместе с рупором дан на рис. 4. Она имеет семь
каналов и рассчитана на применение в высокочастотном звене двухполосного
громкоговорителя типа 30А3, предназначенного для обслуживания средних
кинотеатров. Внешний вид этого громкоговорителя показан на рис. 5;
высокочастотный рупорный громкоговоритель с линзой установлен сверху на
подставке, позволяющей регулировать его угол наклона для правильной
ориентации по отношению к слушателям. Такой громкоговоритель обеспечивает
нужную направленность излучения (не менее 35°) во всем диапазоне
рабочих частот и работает не хуже многоячейкового рупора, причем в
производстве стоит почти вдвое дешевле.
А. Дольник
|