ќсобенности использовани€ громкоговорителей в системах оповещени€

1. ¬ведение
2. ”стройство громкоговорител€
3. ќсновные параметры громкоговорителей
4.  лассификаци€ громкоговорителей дл€ систем оповещени€
5. –абота громкоговорителей
6. ќсновные типы акустического оформлени€ громкоговорителей
7. “рансформаторные громкоговорители
8. ѕодключение громкоговорителей к системе звукоусилени€
9. “рансформаторное согласование

 

1. ¬ведение

√ромкоговорители используютс€ в различных сферах человеческой де€тельности: в промышленности в транспорте, спорте, культуре, быту. ¬ последнее врем€ большое внимание удел€етс€ сфере безопасности людей, в которой стро€тс€ системы оповещение о пожаре, системы оповещени€ о чрезвычайных ситуаци€х, системы оповещени€ в транспорте, системы громкоговор€щей св€зи. ќсновной задачей каждой из этих систем €вл€етс€ оповещение людей Ц доведение до них информации о той или иной угрозе. ќсновным исполнительным элементом каждой из этих систем €вл€етс€ громкоговоритель, правильный выбор которого может повли€ть на целесообразность системы в целом ее бюджета.

ƒл€ обеспечени€ безопасности людей, наход€щихс€ в здани€х и сооружени€х, стро€тс€ комплексные системы безопасности, частью которых €вл€етс€ система оповещени€ и управлени€ эвакуацией людей —ќ”Ё. ќсновна€ задача —ќ”Ё Ц оповещение людей, доведение до них информации, направленной на обеспечение их личной безопасности. —ќ”Ё €вл€етс€ комплексом технических средств и организационных меропри€тий. √ромкоговоритель €вл€етс€ конечным исполнительным элементом технических средств —ќ”Ё, а его параметры €вл€ютс€ входными дл€ электроакустического расчета Ц части организационных меропри€тий.

Ќа основании существующей нормативной документации (Ќƒ) к громкоговорителю предъ€вл€ютс€ следующие требовани€:

–ечевые оповещатели —ќ”Ё должны обеспечивать общий уровень звука не менее 75 дЅј на рассто€нии 3м от оповещател€, но не более 120 дЅј в любой точке защищаемого помещени€, воспроизводить нормально слышимые частоты в диапазоне от 200 до 5000 √ц. ”ровень звука информации от речевых оповещателей должен соответствовать нормам свода правил (см. ‘«-123, свод правил —ѕ-3-13130-2009, от 2009г, "“ребовани€ пожарной безопасности к звуковому и речевому оповещению и управлению эвакуацией людей").

ƒл€ обеспечени€ требований, изложенных в Ќƒ, необходим комплексный подход, в котором учитываютс€ как характеристики громкоговорител€, обусловленные параметрами системы звукоусилени€, так и его конструктивные особенности, обусловленные озвучиваемой средой Ц акустикой, конфигурацией и шумов в помещении. ƒл€ выполнени€ электроакустического расчета необходимо учитывать такие параметры громкоговорител€, как чувствительность и электрическа€ мощность, определ€ющие его громкость, амплитудно-частотную характеристику, определ€ющую его качество, диаграмму направленности, определ€ющую его направленные свойства.

¬ насто€щее врем€ производитс€ большое количество громкоговорителей, различающихс€ по характеристикам, по конструктивному исполнению, по классу защиты, определ€ющему область их применени€.

√ромкоговоритель €вл€етс€ преобразователем электрического сигнала в акустический. ќсновным параметром, определ€ющим эффективность громкоговорител€, €вл€етс€ его  ѕƒ. Ќа сегодн€шний день утвердилс€ подход, согласно которому громкоговоритель должен обеспечивать максимальное звуковое давление на рабочей оси при посто€нстве подводимого напр€жени€ (звукового сигнала) к его входу. ƒанный подход предполагает одновременное решение сразу двух задач: формирование необходимой громкости и одновременно  ѕƒ громкоговорител€.

ѕри выборе громкоговорител€ дл€ системы оповещени€ необходимо иметь базовые представлени€ о его особенност€х: устройстве, функционировании, основных физических принципах, лежащих в его основе. “ак, например, первое знакомство с громкоговорителем предполагает вопрос: качественный он или нет. ќтвет: качество громкоговорител€, в самом простом случае определ€етс€ шириной и неравномерностью его частотной характеристики. ¬торой вопрос, как правило, св€зан с громкостью. √ромкость то и ошибочно отождествл€ют с мощностью громкоговорител€, хот€ это совсем не одно и тоже. Ёлектрическа€ мощность звукового сигнала, измер€ема€ в ваттах, подводима€ к громкоговорителю, действительно определ€ет его громкость, но в гораздо меньшей степени, чем его Учувствительность Ц звуковое давлениеФ, измер€емое в децибелах. ѕри работе с громкоговорителем необходимо четко представл€ть следующие основные зависимости. „увствительность громкоговорител€ находитс€ в обратной зависимости (мат. ср. обратно пропорциональна) с качеством: чем выше чувствительность, тем хуже его качество и наоборот. ѕоэтому дл€ получени€ большей громкости мы должны пожертвовать качеством. ƒл€ одновременного достижени€ и качества и громкости к громкоговорителю подвод€т большую электрическую мощность. ≈ще одна зависимость св€зана с характеристикой направленности (’Ќ) громкоговорител€. ’Ќ определ€етс€ способом излучени€ и конструктивными особенност€ми громкоговорител€. “ак, например, рупорные громкоговорители имеют высокое звуковое давление и узкую диаграмму направленности (они громкие и узконаправленные). “аким образом, существует еще одна зависимость: Унаправленность Ц громкостьФ. „ем выше направленность громкоговорител€, тем выше его громкость (мат. ср. пр€ма€ пропорциональность). ”зка€ направленность всегда сопр€жена с ухудшением качества громкоговорител€: сужением его частотного диапазона в области низких частот, что можно рассматривать как третью фундаментальную зависимость.

ƒл€ удобства работы громкоговорители классифицируютс€ по характеристикам, по конструктивным особенност€м, по области применени€. ѕо характеристикам, громкоговорители можно разделить на классы (узкополосные и широкополосные), определ€ющие качество звучани€ и направленность (узконаправленные и широконаправленные ). “ак, например, широкополосные громкоговорители используютс€ дл€ фонового озвучивани€ Ц гипермаркеты, фитнес центры; узкополосные Ц дл€ речевых объ€влений Ц автозаправки, парковки, ж/д платформы, вокзалы. ”чет диаграммы направленности громкоговорител€ необходим при озвучивании распределенных территорий. Ўироконаправленные громкоговорители охватывают большую круговую территорию, узконапраленные охватывают меньшую круговую территорию, но при этом УпробиваютФ большую дальность. ¬арьиру€ ƒЌ громкоговорителей можно оптимизировать их количество и уменьшить при этом бюджет всей системы оповещени€ в целом. “ак, например, один звуковой прожектор, используемый дл€ озвучивани€ коридоров, способен заменить четыре настенных или потолочных громкоговорител€. ѕо исполнению громкоговорители можно разделить на внутренние (IP-41), используемые дл€ озвучивани€ отапливаемых помещений, и внешние (IP-54) используемые дл€ озвучивани€ открытых площадок. ƒл€ промышленных объектов, имеющих дело с агрессивными веществами, взрывоопасных объектов, может потребоватьс€ более высокий класс защиты (IP-66/67).

≈ще одной важной особенностью громкоговорителей €вл€етс€ способ их согласовани€ с системой оповещени€. ѕо способу согласовани€ громкоговорители можно разделить на низкоомные и трансформаторные. ѕри низкоомном согласовании (реализованном, например, в бытовой технике Ц магнитофоны, плееры) громкоговоритель подключаетс€ непосредственно к выходному каскаду усилител€. ƒл€ построени€ распределенных систем оповещени€, в которых громкоговорители удал€ютс€ от центральной системы на большие рассто€ни€, используютс€ трансформаторные громкоговорители. ѕринцип трансформаторного согласовани€ позвол€ет минимизировать потери на проводах и различные паразитные наводки, возникающие в длинных лини€х.

”чет особенностей и возможностей того или иного громкоговорител€ позволит сформировать более грамотное, оптимальное техническое решение.

 

2. ”стройство громкоговорител€

Ќа рис.1 изображена упрощенна€ схема функционировани€ громкоговорител€.

–ис.1 - ”прощенна€ схема функционировани€ громкоговорител€

¬ громкоговорителе присутствуют следующие подсистемы:

Ёлектрическа€ подсистема выполн€ет функцию согласовани€ входного сопротивлени€ электрической подсистемы с комплексным выходным сопротивлением усилител€ в случае низкоомного согласовани€, или вторичной обмотки повышающего трансформатора в случае использовани€ трансл€ционного усилител€.

Ёлектромеханическа€ подсистема представл€ет собой устройство, преобразующее электрический сигнал на входе в механические колебани€ подвижного элемента на выходе.

ћеханико-акустическа€ подсистема служит дл€ согласовани€ механического импеданса громкоговорител€ с частотно-зависимой компонентой сопротивлени€ излучени€, формируемой излучателем.

јкустическа€ подсистема, называема€ излучателем, формирует сопротивление излучени€, определ€ющее акустическую мощность излучател€. и в конечном итоге,  ѕƒ громкоговорител€.

ќдним из наиболее важных параметров, характеризующих эффективность громкоговорител€, €вл€етс€ коэффициент полезного действи€ ( ѕƒ).  ѕƒ громкоговорител€ находитс€ из соотношени€ выходной акустической мощности излучател€ к входной электрической мощности громкоговорител€ и зависит от согласованности всех подсистем в целом.

 

3. ќсновные параметры громкоговорителей

ќсновным параметром, определ€ющим эффективность громкоговорител€, €вл€етс€ его звуковое давление на выходе, измер€емое в децибелах. «вуковое давление, в свою очередь, определ€етс€ двум€ параметрами Ц чувствительностью громкоговорител€, измеренным при определенных услови€х и его электрической мощностью, измер€емой в ваттах.

„увствительность громкоговорител€

—уществует два вида чувствительности, характеристическа€ и осева€.

’арактеристическа€ чувствительность (дЅ) Ц отношение среднего звукового давлени€, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на рассто€нии 1м от рабочего центра, к квадратному корню из подводимой электрической мощности.

¬ последнее врем€ большинство производителей в качестве характеристики громкости указывают осевую чувствительность.

ќсева€ чувствительность (иногда просто чувствительность) Ц отношение звукового давлени€, развиваемого в точке свободного пол€, выбранной на рабочей оси громкоговорител€ на рассто€нии 1м от рабочего центра, к подводимой мощности (как правило, 1¬т.).

«вуковое давление громкоговорител€

ѕри произвольном значении подводимой электрической мощности Pвт уровень звукового давлени€ громкоговорител€ (его фактическую громкость) можно определить как:

ћощность громкоговорител€

¬ технической литературе фигурирует множество различных определений мощности громкоговорител€, с которыми не просто разобратьс€.

¬ рекомендаци€х ћеждународного Ёлектротехнического  омитета (ћЁ ) 268-5 ЂЁлементы электроакустических систем. √ромкоговорителиї и 581-7 Ђћинимальные требовани€ к аппаратуре Hi-Fi. √ромкоговорителиї привод€тс€ следующие виды мощностей.

’арактеристическа€ мощность громкоговорител€ Ц мощность, при которой громкоговоритель создает характеристический уровень звукового давлени€ 94 дЅ на рассто€нии 1м в диапазоне частот 100...8000 √ц.

Ўумова€ мощность определ€етс€ по результатам испытаний громкоговорител€ на специальном шумовом сигнале в течение 100 ч. «начение шумовой мощности громкоговорител€ совпадает со значением паспортной мощности, определ€емой по √ќ—“ 16122-78, т.к. при определении этих видов мощности используетс€ один и тот же сигнал.

ћаксимальна€ синусоидальна€ мощность громкоговорител€ Ц это мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель может выдержать без механических и термических повреждений в течение промежутка времени (не менее 1 часа), указанного в спецификации.

Ќоминальна€ мощность громкоговорител€ Ц это электрическа€ мощность, при которой нелинейные искажени€ громкоговорител€ не превышают требуемых значений.

ѕаспортна€ мощность громкоговорител€ Ц определ€етс€ как наибольша€ электрическа€ мощность, при которой громкоговоритель может длительное врем€ удовлетворительно работать на реальном звуковом сигнале без тепловых и механических повреждений.

Ќа сегодн€шний день (по крайней мере, у нас в стране) наиболее употребительными €вл€ютс€ два вида мощности Ц номинальна€ и синусоидальна€.

ѕод номинальной мощностью (в дополнение к определению выше) понимают мощность, при которой в некотором (среднем) положении регул€тора громкости усилител€ нелинейные искажени€ громкоговорител€ минимальны.

Ќа сегодн€шний день большинство производителей указывают в своих спецификаци€х синусоидальную мощность.

—инусоидальна€ мощность (англ. RMS Ц Rated Maximum Sinusoidal) Ц максимальна€ синусоидальна€ мощность, при которой громкоговоритель должен проработать в течение 1 часа с реальным музыкальным сигналом без получени€ физических повреждений (ср. максимальна€ синусоидальна€ мощность).

ƒополнительные характеристики громкоговорителей

Ќоминальное электрическое сопротивление Ц входное частотно-зависимое (комплексное) сопротивление громкоговорител€. ¬ случае низкоомного согласовани€ (в реальных акустических системах (ј—)) оно имеет значение 4/8ќм. ¬ случае высоковольтного трансформаторного согласовани€ Ц от сотен ќм, до нескольких кило-ќм.

Ёффективно воспроизводимый диапазон частот Ц диапазон частот, в пределах которого уровень звукового давлени€ понижаетс€ на некоторое заданное значение по отношению к уровню, усредненному в определенной полосе частот. ѕо рекомендаци€м ћЁ  581-7 дл€ полосы частот 50...12500 √ц величина данного уменьшени€ (спада) устанавливаетс€ равной 8дЅ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100...8000 √ц.

„астотна€ характеристика громкоговорител€ по звуковому давлению Ц это графическа€ или численна€ зависимость уровн€ звукового давлени€ от частоты сигнала, развиваемого громкоговорителем в определенной точке свободного пол€, наход€щейс€ на определенном рассто€нии от рабочего центра при посто€нном значении напр€жени€ на выводах громкоговорител€. Ѕолее привычное название данной зависимости Ц амплитудно-частотна€ характеристика (ј„’).

Ќеравномерность ј„’ звукового давлени€

«ависимость звукового давлени€ от частоты изображаетс€ на диаграммах (в декартовой системе координат), называемых амплитудно-частотными характеристиками (термин ј„’ €вл€етс€ наиболее привычным. ¬ технической литературе данна€ зависимость называетс€ частотной характеристикой звукового давлени€ „’«ƒ) громкоговорител€.

ѕод неравномерностью ј„’, следует понимать разность между максимальным Pmax (дЅ) и минимальным Pmin (дЅ), уровн€ми в эффективном (за€вленном) частотном диапазоне.

¬ соответствии с ќ—“ 4.383.001 неравномерность ј„’ в эффективном рабочем диапазоне частот не должна превышать:

ѕо рекомендаци€м ћЁ  581-7 дл€ аппаратуры Hi-Fi качества неравномерность не должна превышать ± 4дЅ в диапазоне 0,1-8к√ц.

Ќа рис.2 изображена ј„’ громкоговорител€ с неравномерностью Δ (дЅ), в диапазоне 0,2-7к√ц, не более 5%.

–ис.2 - Ќеравномерность ј„’ в диапазоне 0,2-7к√ц

Ќеравномерность ј„’ зависит от:

и определ€ет качество громкоговорител€ в целом.

’арактеристика направленности громкоговорител€

Ћюбой громкоговоритель излучает звуковую энергию не равномерно. ”ровень звукового давлени€ громкоговорител€ существенно зависит от угла, на котором производитс€ измерение. Ќаибольшее количество энергии громкоговоритель излучает вдоль рабочей оси. –абоча€ ось, как правило, совпадает с геометрической осью громкоговорител€, проход€щей через его рабочий центр (рабочий центр совпадает с геометрическим центром симметрии выходного отверсти€ громкоговорител€.). «ависимость звукового давлени€ громкоговорител€ от направлени€ называетс€ характеристикой направленности.

’арактеристика направленности громкоговорител€ (Rн) Ц зависимость звукового давлени€ PΘ (дЅ), развиваемого громкоговорителем, в точке свободного пол€ (на фиксированном рассто€нии от рабочего центра, например, на 1м), от угла Θ между рабочей осью громкоговорител€ и направлением на данную точку:

√рафическое выражение Rн дл€ различных углов и частот называют диаграммой направленности (ƒЌ). Ќаиболее часто ƒЌ представл€ют в пол€рных координатах, рис. 3.

–ис. 3 - ƒиаграмма направленности громкоговорител€ ROXTON HP-10T на частоте 4к√ц.

«вуковое давление на диаграмме указываетс€ не в абсолютных, а в относительных величинах Ц децибелах (дЅ).

 

4.  лассификаци€ громкоговорителей дл€ систем оповещени€

ќбщую классификацию громкоговорителей можно представить следующим образом, рис.4:

–ис. 4 -  лассификаци€ громкоговорителей дл€ систем оповещени€

 

ѕо способу излучени€ громкоговорители можно разделить на:

√ромкоговорители пр€мого излучени€ излучают звуковую энергию непосредственно в среду. –абота громкоговорител€ пр€мого излучени€ будет рассмотрена ниже. ¬ рупорных громкоговорител€х диафрагма св€зана со средой непосредственно через рупор. –абота рупорного громкоговорител€ будет рассмотрена ниже.

 

ѕо способу подключени€ громкоговорители можно разделить на:

ѕри низкоомном согласовании громкоговоритель подключаетс€ непосредственно к выходному каскаду усилител€ мощности (”ћ). “рансформаторное согласование предполагает использование специализированного трансформаторного громкоговорител€, подключаемого к выходу трансл€ционного усилител€, снабженного дополнительным повышающим трансформатором. Ѕолее подробно данные способы согласовани€ буду рассмотрены ниже.

 

ѕо частотному диапазону (по ширине ј„’) громкоговорители можно разделить на:

Ќа практике удобно делить по принципу "да/нет", "плохой/хороший". “ак, в зависимости от ширины ј„’ громкоговорители можно разделить на узкополосные и широкополосные. ”зкополосным можно назвать громкоговоритель, работающий в ограниченном диапазоне частот. “ак, например, рупорный громкоговоритель можно назвать узкополосным; его эффективный диапазон частот находитс€ в пределах —„ ~0,3-3к√ц (по существующей Ќƒ громкоговорители должны воспроизводить нормально слышимые частоты в диапазоне от 0,2 до 5к√ц). √ромкоговоритель, одинаково хорошо работающий в Ќ„, —„ и ¬„ диапазонах. будем называть широкополосным. ¬ системах оповещени€ примен€ютс€ оба типа громкоговорителей. Ўирокополосным можно считать громкоговоритель, охватывающий (даже частично) все 3 диапазона. Ўирокополосные громкоговорители наход€т широкое применение и используютс€ дл€ воспроизведени€ не только речевой, но и музыкальной информации.

ƒл€ того, что бы классифицировать громкоговорители в зависимости от направленности, необходимо ввести дополнительную, но очень важную и примен€емую на практике характеристику Ц ширину диаграммы направленности ЎƒЌ.

ЎƒЌ Ц дополнительна€ характеристика, определ€ема€ из пол€рных ƒЌ громкоговорител€. —огласно международному стандарту IEC 268-5(2000г.), ЎƒЌ можно определить как угол раскрыва (отклонени€ от рабочей оси) громкоговорител€ (ср. coverage angle), при котором звуковое давление спадает на 6дЅ (beam width -6dB) относительно значени€ измеренного на рабочей оси.

”зконаправленными будем называть громкоговорители, ЎƒЌ которых на частоте 4к√ц менее 90 градусов, широко-направленными Ц громкоговорители, ЎƒЌ которых на частоте 4к√ц более 90 градусов. Ѕолее подробно данные типы обсуждались во введении.

 

¬ зависимости от конструктивного исполнени€ громкоговорители можно разделить на:

¬резные громкоговорители могут иметь и открытый тип (без экрана), так как экраном дл€ них €вл€етс€ сама поверхность (стена, потолок), в которую они встраиваютс€. √ромкоговорители накладного типа из экономических соображений можно реализовать в открытом €щике, задней стенкой которого становитс€ плоскость (стена), на которую он монтируетс€. Ѕолее подробно данные вопросы будут рассмотрены ниже.

ѕо типу преобразовател€ громкоговорители можно разделить на:

Ќа сегодн€шний день наибольшее распространение получили электродинамические катушечные громкоговорители. Ёлектродинамический катушечный преобразователь можно рассматривать как электромеханическую подсистему, преобразующую электрический сигнал на входе, в механические колебани€ подвижного элемента на выходе. ƒанный громкоговоритель состоит из двух основных подсистем: подвижной Ц звуковой катушки и диффузора и магнитной Ц посто€нного магнита, керна, верхнего и нижнего сланцев. –ассмотрим работу данной системы.

 лассификаци€ громкоговорителей по области применени€

¬ системах оповещени€ громкоговорители имеют самую широкую область применени€: от тихих и закрытых помещений до шумных открытых площадок, от речевых объ€влений до качественного музыкального оформлени€.

¬ зависимости от области применени€ громкоговорители можно разбить на 3 основных группы:

  1. √ромкоговорители внутреннего исполнени€ Ц используютс€ дл€ озвучивани€ закрытых помещений. ƒл€ данной группы громкоговорителей характерна невысока€ степень защиты (IP-41).
  2. √ромкоговорители внешнего исполнени€ Ц используютс€ дл€ озвучивани€ открытых площадок. “акие громкоговорители называют уличными. ƒл€ данной группы громкоговорителей характерна более высока€ степень защиты (IP-54).
  3. √ромкоговорители взрывозащищенного исполнени€ Ц примен€ютс€ во взрывоопасных помещени€х или территори€х с повышенным содержанием агрессивных (взрывоопасных) веществ. ƒл€ данной группы громкоговорителей характерна высока€ степень защиты (IP-67). “акие громкоговорители примен€ютс€ в нефт€ной, газовой промышленности, на атомных станци€х и т.д.

 аждой из групп можно сопоставить соответствующий класс (степень) защиты IP. ѕод степенью защиты понимаетс€ способ, ограничивающий доступ к опасным токоведущим и механическим част€м, попадание твердых предметов и/или воды внутрь оболочки.

ћаркировка степени защиты оболочки электрооборудовани€ осуществл€етс€ при помощи международного знака защиты IP и двух цифр, перва€ из которых означает защиту от попадани€ твердых предметов, втора€ Ч от проникновени€ воды.

Ќаиболее распространенными дл€ громкоговорителей €вл€ютс€ следующие степени защиты:

 

5. –абота громкоговорителей

–абота электродинамического громкоговорител€

Ќа рис.5 изображено устройство диффузорного громкоговорител€ пр€мого излучени€ с преобразователем электродинамического катушечного типа.

–ис.5 - ”стройство электродинамического громкоговорител€

ќсновным рабочим узлом электродинамического громкоговорител€ €вл€етс€ диффузор, который осуществл€ет преобразование механических колебаний в акустические. ƒиффузор громкоговорител€ приводитс€ в движение силой, действующей на жестко скрепленную с ним катушку, наход€щуюс€ в радиальном магнитном поле. ¬ катушке течет переменный ток, соответствующий аудио-сигналу, который должен воспроизвести громкоговоритель. ћагнитное поле в громкоговорителе создаетс€ кольцевым посто€нным магнитом и магнитной цепью из двух фланцев и керна.  атушка под действием электродвижущей силы свободно движетс€ в пределах кольцевого зазора между керном и верхним фланцем, а ее колебани€ передаютс€ диффузору, который, в свою очередь, создает акустические колебани€, распростран€ющиес€ в воздушной среде.

Ёлектродинамические громкоговорители имеют хорошие характеристики, широкую диаграмму направленности, широкий частотный диапазон, приемлемый уровень звукового давлени€, что позвол€ет примен€ть их дл€ решени€ самого широкого класса задач Ц от музыкальной трансл€ции до аварийного оповещени€. ƒанные громкоговорители чаще всего используютс€ дл€ внутреннего монтажа в закрытых отапливаемых помещени€х.

–абота рупорного громкоговорител€

–упорный громкоговоритель (рупор) €вл€етс€ согласующим элементом между драйвером (излучателем) и окружающей средой. ƒрайвер, жестко св€занный с рупором, преобразует электрический сигнал в звуковую энергию, поступающую и усиливаемую в рупоре. ”силение звуковой энергии внутри рупора осуществл€етс€ за счет специальной геометрической формы, обеспечивающей высокую концентрацию звуковой энергии. »спользование в конструкции дополнительного концентрического канала позвол€ет существенно уменьшить размеры рупора при сохранении качественных характеристик.

–упор состоит из следующих частей, рис.6.

–ис. 6 - ”стройство рупорного громкоговорител€

–упорный громкоговоритель работает следующим образом: электрический звуковой сигнал поступает на вход компрессионного драйвера (а), преобразующего его в акустический сигнал на выходе. ƒрайвер жестко скреплен с рупором (г), обеспечивающим высокое звуковое давление (рупор может иметь следующие варианты названи€: мегафон, горн, репродуктор, рефлектор, труба). ƒрайвер состоит из жесткой металлической диафрагмы (а), приводимой в движение (возбуждаемой) звуковой катушкой (е) намотанной на цилиндрический (или кольцевой) магнит (б). «вук в данной системе распростран€етс€ от драйвера, проход€ через концентрический канал (в), экспоненциально усиливаетс€ в рупоре (г), после чего поступает на выход.

 

6. ќсновные типы акустического оформлени€ громкоговорителей

ƒл€ повышени€ эффективности громкоговорители снабжаютс€ корпусами. ѕо типу акустического оформлени€ корпуса, громкоговорители можно разделить, рис.7 на:

–ис. 7 - “ипы акустического оформлени€ громкоговорителей

ѕлоский экран позвол€ет исключить дифракцию излучаемой волны вокруг излучател€. ƒл€ того, что бы громкоговоритель был эффективным, размеры плоского экрана должны быть соизмеримы с диной волны: l > λ/4, где λ Ц длина волны нижней границы частотного диапазона. “ак дл€ fн=100√ц, l > v/4fн =340/400=0,85м. Ёкран размером 80см слишком велик, поэтому на практике наибольшее применение находит оформление открытый корпус (можно рассматривать как не плоский экран), также преп€тствующий дифракции (огибанию) звука.

¬ариант акустического оформлени€ типа "закрытый €щик" рассмотрим на примере широко распространенного типа трансл€ционных громкоговорителей Ц звуковой колонны.

”стройство звуковой колонны

«вукова€ колонна широко используетс€ в системах звуковой трансл€ции. ¬ зависимости от класса защиты, звукова€ колонна может использоватьс€ дл€ озвучивани€ как внутренних помещений, так и открытых площадок. «вукова€ колонна представл€ет собой закрытый €щик (бокс), с размещенной внутри группой размещенных по вертикали головок (динамиков), рис.8.

–ис. 8 - ”стройство звуковой колонны трансформаторного типа

ƒинамики в звуковой колонне располагаютс€ внутри корпуса друг над другом, соедин€ютс€ параллельно и подключаютс€ к выходной обмотке понижающего трансформатора. «вукова€ колонна относитс€ к типу т.н. Улинейных групповых излучателейФ, имеющих благопри€тную ƒЌ Ц узкую в вертикальной плоскости и широкую в горизонтальной.  орпусное исполнение повышает эффективность в области низких частот. ќбострение ƒЌ в вертикальной плоскости происходит из-за интерференции сигналов от каждого динамика. ѕри конструировании звуковой колонны очень важно обеспечить идентичность характеристик динамиков, устанавливаемых в одном корпусе и их синфазность.

‘азоинверторный громкоговоритель

«акрытый корпус €вл€етс€ очень эффективным решением, но в результате избыточной плотности звукового давлени€ внутри корпуса возникают сто€чие волны, вызывающие резонансные эффекты, образу€ пики и провалы при воспроизведении. ћинимизировать данный эффект можно при помощи фазоинвертора, устран€ющего избыточное давление внутри корпуса. »звестно, что хорошее воспроизведение Ќ„ может быть обеспечено не только массой громкоговорител€, но и объемом корпуса. ‘азоинвертор представл€ет собой канал (отверстие или трубу) в стенке закрытого €щика и позвол€ет минимизировать объем корпуса при сохранении равномерности ј„’ в области Ќ„. ‘азоинвертор выполн€ет роль резонатора, рассматриваемого как второй громкоговоритель. ѕараметры отверсти€ фазоинвертора подбирают таким образом, чтобы сбалансировать резонансные эффекты на определенных частотах и минимизировать возможные провалы в частотной характеристике. √ромкоговорители фазоинверторного типа называют акустическими системами (ј—). ¬нешний вид ј— показан на рис.9.

–ис. 9 - ¬нешний вид акустической системы Audiocenter PF12

ѕример, изображенный на рис.9, демонстрирует основные особенности реализации качественных акустических систем.

¬ысокое качество звучани€ ј— обеспечиваетс€:

ћногополосное исполнение предполагает применение нескольких громкоговорителей в одном корпусе, требующую, в свою очередь, применени€ разделительного фильтра. ¬ ј— разрешаетс€ основное противоречие, обусловленное физическими принципами Ц высока€ эффективность на ¬„ может быть достигнута использованием маленьких по объему громкоговорителей (¬„-драйверов, ¬„-драйвер Ц диафрагма, помещенна€ в магнит (называема€ твиттером) и соединенна€ с рупором, €вл€етс€ эффективным излучателем на ¬„); дл€ воспроизведени€ Ќ„ необходим массивный и объемный громкоговоритель (вуфер), устанавливаемый в свою очередь в объемный корпус.

ѕример реализации бюджетных широкополосных громкоговорителей

—уществует несколько способов повышени€ эффективности громкоговорител€ при сохранении его стоимости.

ѕостроение двухконусной системы, рис.10.

–ис.10 - Ўирокополосный двухконусный потолочный громкоговоритель ROXTON PA-620T

ƒвухконусна€ система состоит из основного (большого) конуса, роль которого выполн€ет диффузор и дополнительного (малого) конуса Ц маленького рупора, жестко скрепленного с диффузором.  онцентрическое расположение данных конусов позвол€ет обеспечить высокую эффективность в широком диапазоне и хорошую равномерность на средних частотах.

ѕовышени€ равномерности звучани€ в широком частотном диапазоне можно добитьс€ построением многополосной ј—. ¬ многополосных системах дл€ получени€ напр€жени€ на нужной частоте используютс€ разделительные фильтры (фильтр рассчитываетс€ дл€ определенной частоты, за пределами которой обеспечиваетс€ нужна€ крутизна затухани€. ‘ильтр первого пор€дка содержит 1 элемент и обеспечивает затухание с крутизной 6дЅ/октаву; фильтр второго пор€дка содержит 2 элемента и обеспечивает затухание с крутизной 12дЅ/октаву).

Ќа рис.11 изображен пример реализации бюджетной двухполосной ј—.

–ис.11 - ƒвухполосна€ потолочна€ ј— ROXTON PA-20T

¬ данном громкоговорителе применен разделительный фильтр первого пор€дка. ¬„-головка (драйвер) громкоговорител€ расположена на шаровом шарнире, что позвол€ет варьировать диаграммой направленности на ¬„. ”добные поворотные креплени€ обеспечивают легкость и удобство монтажа.

≈ще одним важным преимуществом многополосных ј— €вл€етс€ обеспечение посто€нства характеристики направленности (’Ќ) в широком диапазоне частот, что существенно упрощает электроакустический расчет.

ѕример классификации громкоговорителей по конструктивному исполнению на примере ROXTON см. в статье "√ромкоговорители ROXTON: классификаци€".

 

7. “рансформаторные громкоговорители

“рансформаторные громкоговорители Ц громкоговорители со встроенным трансформатором, €вл€ющиес€ конечными исполнительными элементами в проводных трансл€ционных системах, на базе которых стро€тс€ системы оповещени€ о пожаре, локальные системы оповещени€, системы громкоговор€щей св€зи. ¬ таких системах реализован принцип трансформаторного согласовани€, при котором отдельный громкоговоритель или лини€ с несколькими громкоговорител€ми подключаетс€ к высоковольтному выходу трансл€ционного усилител€. ѕередача сигнала в высоковольтной линии позвол€ет сохран€ть величину передаваемой мощности за счет уменьшени€ токовой составл€ющей, тем самым минимизировать потери на проводах. ¬ трансформаторном громкоговорителе осуществл€етс€ 2 этапа преобразовани€. Ќа первом этапе при помощи трансформатора происходит понижение напр€жени€ высоковольтного звукового электрического сигнала, на втором Ц осуществл€етс€ преобразование электрического сигнала в слышимый акустический звуковой сигнал.

Ќа рис.12 изображена задн€€ часть корпусного настенного трансформаторного громкоговорител€. “рансформаторный громкоговоритель состоит из следующих частей:

–ис.12 - ”стройство трансформаторного громкоговорител€

 орпус громкоговорител€ в зависимости от области применени€ может быть выполнен из различных материалов, наиболее широким из которых на сегодн€шний день €вл€етс€ ј¬S пластик.  орпус необходим дл€ удобства монтажа громкоговорител€, предохранени€ токоведущих частей от попадани€ пыли и влаги, улучшени€ акустических характеристик, формировани€ необходимой диаграммы направленности (ЎƒЌ).

ѕонижающий трансформатор предназначен дл€ понижени€ высокого напр€жени€ входной линии до рабочего напр€жени€ электродинамического преобразовател€ (динамика). ѕервична€ обмотка трансформатора может содержать несколько отводов (например, полна€ мощность, 2/3 мощности, 1/3 мощности), что позвол€ет варьировать выходной мощностью. ќтводы маркируютс€ и подключаютс€ к клеммным колодкам. “аким образом каждый такой отвод обладает своим импедансом (r, ў) Ц реактивным сопротивлением (первичной обмотки трансформатора), завис€щим от частоты.

 леммна€ колодка обеспечивает удобство подключени€ трансл€ционной линии к различным отводам первичной обмотки трансформаторного громкоговорител€.

ƒинамик Ц устройство дл€ преобразовани€ электрического сигнала в звуковой (слышимый) акустический сигнал. ѕодключаетс€ ко вторичной обмотке понижающего трансформатора. ¬ рупорном громкоговорителе роль динамика выполн€ет драйвер, жестко скрепленный с рупором.

 

8. ѕодключение громкоговорителей к системе звукоусилени€

—уществует два основных способа согласовани€ громкоговорителей с системой звукоусилени€:

Ќизкоомное согласование

ѕри "низкоомном" согласовании, громкоговорители подключаютс€ непосредственно к выходному каскаду ”ћ. ¬ зависимости от реализации усилител€ существует множество различных включений.

Ќа рис. 13 показан вариант включени€ низкоомного 4/8ќм громкоговорител€ в коллекторную цепь выходного транзистора.

–ис.13 - ¬ключение "низкоомного" громкоговорител€ в коллекторную цепь транзистора

ѕодключение низкоомных громкоговорителей

ѕо государственному стандарту (√ќ—“ – 53575-2009 (ћЁ  60268-5:2003). √ромкоговорители. ћетоды электроакустических испытаний), громкоговорители могут иметь два стандартных значени€ УимпедансовФ Ц 4 и 8 ом, на которые и рассчитаны низкоомные выходы ”ћ«„.

ѕри "низкоомном" согласовании нагрузки с выходом ”ћ необходимо обеспечить 2 услови€:

поэтому подключение нескольких УнизкоомныхФ громкоговорителей к одному усилителю осуществл€етс€ только определенными способами:

ѕри последовательном соединении суммарный импеданс нагрузки Z складыватс€ из импедансов каждого из громкоговорителей:

ѕри параллельном соединении суммарный импеданс нагрузки Z €вл€етс€ суммой проводимостей (1/Zi) каждого громкоговорител€:

»сход€ из того, что стандартных импедансов всего два (4/8ќм), в последовательном и параллельном соединении участвуют не более 2-х громкоговорителей. —уммарный импеданс при последовательном соединении двух громкоговорителей (7):

—уммарный импеданс при параллельном соединении двух громкоговорителей (8):

—оединение большего количества громкоговорителей осуществл€етс€ последовательно-параллельным соединением, рис.14.

–ис.14 - ¬арианты соединени€ низкоомных громкоговорителей

ѕри нечетном количестве громкоговорителей, необходимо осуществл€ть последовательно-параллельное соединение, суммарный импеданс которого должен попасть в пределы 4-8ќм. ќжидаемую мощность, в этом случае можно получить только приближенно, аппроксимиру€ характеристики используемого усилител€ дл€ 4-х и дл€ 8-ми омной нагрузки.

 

9. “рансформаторное согласование

”силители, в состав которых входит согласующий трансформатор называютс€ трансл€ционными, а громкоговорители, работающие с ними Ц трансформаторными.

“рансл€ционные системы, использующие данный принцип, очень эффективны дл€ озвучивани€ больших (распределенных) территорий.

ѕринцип трансформаторного согласовани€ позвол€ет:

“рансформаторное согласование имеет еще одно важное преимущество, оно позвол€ет реализовывать практически любые топологии Ц шина, звезда, дерево, не мен€€ при этом, принципов проектировани€.   основным принципам проектировани€ трансл€ционных систем можно отнести следующие:

“рансл€ционна€ система

“рансл€ционную систему оповещени€ можно рассматривать в рамках системы трехэтапного преобразовани€ включающую:

–ис. 15 - —истема звуковой трансл€ции

Ќизкоуровневый сигнал напр€жением (1-10м¬) с микрофона поступает на вход трансл€ционного усилител€ включающего:

¬ариант согласовани€ выхода ”ћ с трансформаторным громкоговорителем показан на рис.16.

–ис. 16 - “рансформаторное согласование ”ћ с громкоговорителем

ѕовышающий трансформатор на выходе усилител€ предназначен дл€ дополнительного повышени€ напр€жени€ звукового сигнала с целью его оптимального согласовани€ с линией громкоговорителей. ƒл€ реализации многовариантного управлени€, вторична€ обмотка повышающего трансформатора снабжаетс€ несколькими отводами с различными напр€жени€ми: Uном, 3/4Uном, 1/2Uном, 1/4Uном.

“рансформатор громкоговорител€ понижает напр€жение высоковольтного звукового до уровн€:

ƒл€ реализации многовариантного управлени€, первична€ обмотка согласующего трансформатора громкоговорител€, снабжаетс€ несколькими отводами с различными импедансами : Zном, 2/3Zном, 1/2Zном, 1/3Zном.

ћощность громкоговорител€, в зависимости от напр€жени€ в линии, Uл, ¬ и выбранного импеданса Zном (ќм):

ƒанна€ формула, следующа€ из закона ќма дл€ участка цепи (J=U/R) и соотношени€ дл€ нахождени€ мощности (P=J*U), очень широко используетс€ на практике.

»з формулы (6) видно, что при неизменном импедансе громкоговорител€, уменьшение напр€жени€ в линии в n раз (например, при переключении линии с клеммы U1 на клемму U2, рис. 16), приводит к уменьшению мощности громкоговорител€ в n2 раз.

“рансформаторное подключение, кроме оптимального согласовани€ имеет еще одно преимущество, заключающеес€ в легкости расчета общей нагрузки, как суммы мощностей всех громкоговорителей подключенных к трансл€ционному усилителю:

ѕрактический пример

—истема оповещени€ построена, к выходу усилител€ подключены нагрузочные линии, суммарна€ мощность которых составл€ет 0,7...0,8 от мощности усилител€.

¬опрос: ћожно ли увеличить величину нагрузки на существующий усилитель (подключить большее количество громкоговорителей)?

ќтвет: ”величить мощность нагрузки нельз€. Ќо, есть вариант. ѕри переключении линии громкоговорителей с выходных клемм U1=100¬ усилител€ на выходные клеммы U2=70¬, мощность всей нагрузки (каждого громкоговорител€) снизитс€ в 2 раза (ф-ла 6), что высвободит 50% мощности усилител€.

ќсновные топологии подключени€ трансформаторных громкоговорителей

¬ распределенных системах к одному усилителю может подключатьс€ достаточно большое количество громкоговорителей, которые дл€ удобства проектировани€ и управлени€ разбиваютс€ на группы Ц подключаютс€ к отдельным лини€м (шлейфам). ”добство проектировани€ и расчета св€зано с тем, что линии, к выходу усилител€ можно подключать различными способами, €вл€ющимис€ аналогами параллельного подключени€, при этом, суммарна€ нагрузка:

¬арианты подключени€ линий громкоговорителей к трансл€ционному усилителю изображены на рис.17.

–ис. 17 - —пособы подключени€ (согласовани€) высоковольтных линий, к выходу трансл€ционного усилител€

ѕримечание: ¬ случае соединени€ (подключени€) звездой желательно использовать коммутатор (релейный модуль), включенный в разрыв между выходом трансл€ционного усилител€ и лини€ми громкоговорителей.

 


ќ.  очнов