Слайд
Прежде всего, давайте разберемся с терминами, поскольку понятия «громкоговоритель», «колонка», «динамик», «акустическая система» часто используют наугад, создавая изрядную путаницу.
Слайд
Состоит из одной или нескольких излучающих головок, которые собственно и являются источниками звука, а также акустического оформления, необходимого для более эффективного излучения звука в заданной полосе частот.
Функционально к громкоговорителям близки телефоны (наушники), однако, в отличие от громкоговорителей, они не предназначены для излучения звука в открытое пространство.
Слайд
Виды громкоговорителей в зависимости от способа излучения звука
· Электродинамический громкоговоритель — в нём источником механических колебаний диффузора является лёгкая катушка, движущаяся в поле мощного магнита. Получил наибольшее распространение.
· Электростатический громкоговоритель — основан на электростатическом взаимодействии тонких мембран, между которыми приложено высокое напряжение
Такие громкоговорители изготавливаются лишь несколькими фирмами и цена на них достаточно высока.
Мембрану чаще всего делают из полимерных плёнок
Мембрана (от лат. membrana — кожица) — тонкая гибкая плёнка или пластинка, обычно закреплённая по периметру.
4 слайд
Пьезоэлектри́ческий излуча́тель, пьезоизлуча́тель — электроакустическое устройство, способное воспроизводить звук, либо излучать ультразвук, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту.
Пьезоэлектрический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрика, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием. В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель.
Пьезоэлектрические излучающие элементы могут иметь сферическую или цилиндрическую форму поверхности.
Электромагнитный громкоговоритель (по отношению к устройствам, не излучающим звук в окружающее пространство, а предназначенным для телефонов и наушников, применяются термины электромагнитный капсюль и электромагнитный телефон) — громкоговоритель, в котором звуковые колебания создаются за счёт движения мембраны из магнитного материала либо металлического якоря в поле неподвижного электромагнита. Исторически — самый первый громкоговоритель. С появлением динамических громкоговорителей электромагнитный громкоговоритель вышел из употребления в большинстве устройств, за исключением некоторых наушников и малогабаритных звуковых излучателей (например, компьютерных спикеров).
Слайд
Принцип электромагнитного звукоизлучателя был использован в телефоне Белла. Однако конструкция его телефона позволяла только индивидуальное прослушивание воспроизводимого звука. До появления радиоламп предпринимались различные попытки усиления звука с помощью прерываемого воздушного потока (принцип сирены), но они отличались плохим качеством звука и не позволяли регулировать громкость.
С появлением радиоламп появился источник электрического сигнала достаточно большой мощности, однако устройства, работавшие по принципу телефона Белла, не были способны воспроизводить звуковые колебания достаточной для непосредственного излучения звука в окружающее пространство амплитуды. В качестве решения проблемы долгое время использовались рупоры. Однако рупоры вносили искажения в сигнал и, кроме того, достаточно широкополосные для воспроизведения музыкальных произведений рупоры были весьма громоздкими.
В 1915 году Питер Йенсен (англ.)русск. предложил вместо мембраны использовать металлический якорь, соединённый с бумажным диффузором[1], что позволило отказаться от громоздкого рупора. Следующим шагом было изобретение индукторных громкоговорителей, или громкоговорителей системы «Фаранд», в которых якорь двигался не в направлении полюсных наконечников, а параллельно их поверхности, что позволило добиться большей амплитуды колебаний и лучшего воспроизведения низких частот.
После прекращения выпуска электромагнитных громкоговорителей, электромагнитные капсюли широко использовались в телефонах, а также в наушниках, не требующих высокого качества воспроизведения звука. Кроме того, продолжают выпускаться миниатюрные электромагнитные излучатели, имеющие схожую область применения с пьезокерамическими. Вновь популярность электромагнитным излучателям вернули внутриканальные наушники, так как они не требуют большой амплитуды колебаний, а значит практически не имеют проблем с неравномерностью магнитного поля в зазоре и связанными с этим нелинейными искажениями, а также миниатюрные слуховые аппараты, где конструкция излучателя позволяет размещать его более компактно в слуховом проходе.
Слайд
Главной особенностью является то, что плазменные громкоговорители не вносят в звук механических искажений, не подвержены различным акустическим резонансам и, поэтому, обладают недостижимым для других типов громкоговорителей качеством воспроизведения среднечастотного и высокочастотного диапазонов.
Резонанс - частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы
Это обусловлено тем, что у ионофонов, по сути, нет диффузора (расширяющийся канал течения среды), а масса подвижной системы исчезающее мала, так как она определяется массой воздуха занимаемого разрядом (плазмой). Поэтому главным их достоинством является качество звучания, получаемое амплитудной модуляцией, а их основными недостатками являются высокий уровень излучаемой мощности радиочастотных помех на частотах в десятки мГц и ионизация окружающего воздуха[2], также существенным недостатком является небольшой срок службы электрода (редко превышает несколько тысяч часов).
Слайд
На слайде
Слайд
Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики(механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.[1]
Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, химию, медицину, гигиену, теорию музыки и другие.
Термин «акустика» (фр. acoustique) был введён в 1701 году Ж. Совёром[
9 слайд
Акусти́ческая систе́ма — устройство для воспроизведения звука, состоит из акустического оформления и вмонтированных в него излучающих головок (обычно динамических).
Слайд
Основные направления современной акустики
Архитектурная акустика — наука, изучающая законы распространения звуковых волн в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, отражение и поглощение звука поверхностями, влияние отражённых волн на слышимость речи и музыки, методы управления структурой звукового поля, шумовыми характеристиками интерьеров и т. п.
Цель этой науки — создание приёмов проектирования залов с заранее предусмотренными хорошими условиями слышимости.
Первоначально архитектурная акустика занималась проектированием оперных театров и концертных залов. С распространением звукового кинематографа акустический расчёт стал обязательным для всех кинотеатров. В дальнейшем, по мере развития техники и роста городов (особенно в XIX веке), первоочередными её задачами стали подавление шума в многоквартирных домах, звукоизоляция производственных помещений и вопросы сохранения здоровья рабочих, а также организация помещений увеселительных заведений, создающих существенный уровень шума.
Слайд
Строительная акустика — научная дисциплина, занимающаяся вопросами защиты жилых и иных помещений, территорий и зданий от шума и решающая эти вопросы архитектурно-планировочными и строительными (конструктивными) методами.
Строительная акустика может рассматриваться как отрасль прикладной акустики, или как раздел строительной физики.
Строительная акустика в современном строительстве имеет большое значение: меры по борьбе с шумом, принятые на её основе, улучшают санитарно-гигиенические условия жизни и работы населения, благоприятствуют повышению производительности труда, способствуют комфорту и росту эксплуатационных качеств зданий, территорий и сооружений.
Слайд
Психоаку́стика — научная дисциплина, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком.
В аспекте сугубо музыкальном, основными задачами психоакустики являются следующие:
· понять, как система слухового восприятия человека расшифровывает тот или иной звуковой образ;
· установить основные соответствия между физическими стимулами и слуховыми ощущениями;
· выявить, какие именно параметры звукового сигнала являются наиболее значимыми для передачи семантической (смысловой) и эстетической (эмоциональной) информации.
Слайд
Биоакустика — область в биологии, раздел в зоологии, который занимается изучением звуковой сигнализации у животных и их звуковых взаимоотношений.
Область биоакустики — изучение роли звука как средства передачи информации в мире живых существ[1], изучение всевозможных существующих в природе способов звуковой связи между живыми существами, механизмы образования и восприятия у них звуков, а также принципы кодирования и декодирования передаваемой информации в живых биоакустических системах[2].
Слайд
Типы акустики
· Активная акустическая система — это колонки имеющие встроенные усилители мощности, каждая колонка питается от сети через сетевой кабель. Для воспроизведения звука подключаются напрямую к предварительному усилителю, то есть нет необходимости покупать усилитель мощности. Подключение такой системы к источнику производится межблочным кабелем. Особенная интеграция колонок позволяет устройствам обеспечивать максимально высокое качество звука, на которое не влияют большие расстояния, ведь расставить систему по квартире или дому можно в соответствии со своими предпочтениями. Также активная акустика отлично работает длительное время даже при очень больших нагрузках.
· Пассивная акустическая система — не имеют встроенного усилителя мощности. Подключение пассивной акустики производится либо к интегральному усилителю, либо к усилителю мощности через акустический кабель. Неудобство таких систем объясняется необходимостью использования дополнительных внешних усилителей, без которых работа пассивных колонок невозможна. Выгода таких систем состоит в отсутствии необходимости подключать дополнительные источники питания.
Слайд
Акустическая система бывает однополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт излучение в своей частотной полосе).
Однополосная система не позволяет добиться качественного звука ввиду трудностей создания излучателя, одинаково хорошо воспроизводящего сигналы разных частот. Высокие интермодуляционные искажения при значительном ходе одного излучателя вызваны эффектом Доплера.
В многополосных системах спектр слышимых человеком звуковых частот разбивается на несколько перекрываемых между собой диапазонов посредством фильтров (комбинации резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, или с помощью цифрового кроссовера). Каждый диапазон подаётся на свою динамическую головку, которая имеет наилучшие характеристики в этом диапазоне[1]. Таким образом достигается наиболее высококачественное воспроизведение слышимых человеком звуковых частот (20—20 000 Гц).
Слайд
Эффе́кт До́плера — изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя (приёмника). Эффект назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера.
Исходя из собственных наблюдений за волнами на воде, Доплер предположил, что подобные явления происходят в воздухе с другими волнами. На основании волновой теории он в 1842 году вывел, что приближение источника света к наблюдателю увеличивает наблюдаемую частоту, отдаление уменьшает её.
Доплер теоретически обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем.
Слайд
АС состоит, как правило, из:
· головок громкоговорителей, каждая из которых (или несколько одновременно) работают в своем частотном диапазоне;
· корпуса;
· 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).
Слайд
Головки громкоговорителей
Головки громкоговорителей классифицируются по принципу действия, по способу излучения, по полосе передаваемых частот, по области применения и т.д.
По принципу действия, т.е. по способу преобразования электрической энергии в акустическую, громкоговорители делят на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пьезопленочные), плазменные и др.
Слайд
Подавляющее большинство головок громкоговорителей электродинамические («динамические» или просто «динамики»). Их принцип действия основан на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током.
Головка электродинамического громкоговорителя состоит из подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя (1).
Подвижная система включает в себя подвес (2), диафрагму (3), центрирующую шайбу (4), пылезащитный колпачок (5), звуковую катушку (6) и гибкие выводы.
При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи, на нее будет действовать механическая сила. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Конструкция электродинамического громкоговорителя очень похожа на конструкцию динамического микрофона, поэтому, в принципе, из динамического микрофона можно получить слабенькую головку громкоговорителя, а из головки громкоговорителя – микрофон. Понятно, что работать все это будет отвратительно, но работать будет.
Слайд
Используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки (1) толщиной порядка 6...10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (2) (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая металлизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее напряжение порядка 8...10 кВ. Переменное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеблется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа обеспечивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переходных искажений.
Слайд
Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители (рис. 7) используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве возбуждающего элемента в них применяется биморфный элемент, полученный путем соединения двух пластин (1), (3) из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформации, которые передаются соединенной с ним диафрагме (2). Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пьезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым при помощи специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук, для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи.
Слайд
По способу излучения акустической энергии головки громкоговорителей делятся на головки прямого излучения, у которых диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, и рупорные (рис. 8), у которых диафрагма излучает звук через рупор. Если рупорный громкоговоритель имеет предрупорную камеру, то он называется узкогорлым рупорным громкоговорителем, а если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.
Рупорные громкоговорители широко используют при создании систем озвучивания улиц, стадионов, площадей, систем звукоусиления в различных помещениях, бытовых высококачественных систем, систем оповещения и др.
Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены, прежде всего, тем, что они обладают большей эффективностью; кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления. Однако при использовании рупорных громкоговорителей возникают проблемы, связанные с тем, что для излучения низких частот необходимо значительно увеличивать размеры рупора, а большие уровни звукового давления в предрупорной камере создают дополнительные нелинейные искажения.
Слайд
Конструкция головок громкоговорителей зависит от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на:
· широкополосные (OO «full-range»);
· низкочастотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40...500-1000 Гц) («woofer», «subwoofer»);
· среднечастотные (диапазон 0,3-0,5...5-8 кГц) («mid-range»);
· высокочастотные (1-2..16-30 кГц) («tweeter») и др.
Большая часть мощности аудиосигналов обычно приходится на низкочастотные ГГ, поэтому они должны воспринимать нагрузки до 200 Вт и более, сохраняя тепловую и механическую прочность. Эти ГГ имеют низкую резонансную частоту (16...30 Гц) и должны быть рассчитаны на большой ход подвижной системы вплоть до ±12...15 мм.
Основным излучающим элементом громкоговорителя является диафрагма. Диафрагмы современных низкочастотных ГГ изготавливаются из сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками.
Среднечастотные громкоговорители (СЧ ГГ) используются в диапазоне ча- стот от 200... 800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам ис- кажений максимальна, поэтому требования к их качеству наиболее жесткие
Высокочастотные громкоговорители (ВЧ ГГ). (рис. 10). Требования к ним за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной электронной музыке, расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой и др.
В современных АС высокочастотные ГГ используются, как правило, в диапазоне частот от 2...5 до 30...40 кГц. Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне при помощи одного ГГ чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ ГГ применяются в диапазоне от 2... 5 до 16... 18 кГц, а в некоторых АС устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ ГГ
Широкополосные громкоговорители - Высококачественная акустика с одним широкополосным динамиком охватывает весь слышимый частотный спектр, используя только один динамик
Слайд
Потолочные громкоговорители – это, как правило, электродинамические диффузорные громкоговорители, заключенные в пластиковые или металлические корпуса. Их используют для озвучивания помещений и в системах аварийного оповещения зданий. Благодаря большому углу раскрытия диаграммы направленности звука и широкому диапазону воспроизводимых частот потолочные громкоговорители способны довольно качественно воспроизводить звук, кроме того, они гармонично вписываются практически в любой интерьер.
Потолочные громкоговорители обеспечивают более равномерное по сравнению с другими громкоговорителями распределение звука по объему помещения и не требуют при этом установки мощных усилителей. Их применение особенно эффективно для озвучивания больших помещений с высотой потолка до 5 м.
Слайд
Корпус АС выполняет многообразные функции. В области НЧ он блокирует эффект «акустического короткого замыкания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхности диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения.
Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах
Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот. Правильно спроектированный и изготовленный корпус оказывает огромное влияние на качество звука.
При проектировании корпусов АС чаще всего используют такие варианты конструктивного оформления, как бесконечный экран, закрытый корпус, корпус с фазоинвертором, лабиринт, трансмиссионная линия.
Слайд
Бесконечный экран возникает, когда громкоговорители устанавливаются в стене комнаты с достаточно большим объемом за ним. Для такой установки громкоговорителей характерен эффект «бубнения» на низких частотах, поскольку отсутствует демпфирование.
Закрытый корпус. В современных АС применяют в основном закрытые корпуса компрессионного типа. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в них используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в возвращающую силу, приложенную к диафрагме.
Корпус с фазоинвертором – корпус, в котором сделано отверстие, что позволяет использовать излучение тыльной поверхности диффузора. Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и массой воздуха в корпусе.
Корпуса с фазоинвертором (рис. 14 а) имеют много разновидностей. Корпус, использующий специальную трубу, вставленную в отверстие, позволяет уменьшить размеры корпуса и при помощи регулировки размеров трубы настраивать фазоинвертор (рис. 14 б).
Если в отверстие корпуса устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус, то такой корпус называется корпусом с пассивным излучателем (рис. 14 в).
Слайд
Лабиринт представляет собой вариант корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громкоговорителя, он действует аналогично фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Резонансы на гармониках от основной резонансной частоты трубы демпфируются звукопоглощающими материалами на стенках корпуса (рис. 15 а).
Трансмиссионная линия – это разновидность лабиринта. Она отличается от лабиринта тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса, и поперечное сечение линии делается переменным – больше у конуса, меньше у отверстия (рис. 15 б). Корпуса такого типа очень сложны в настройке.
Если в корпусе установлены две одинаковых ГГ на один фазоинвертор, то это называется «низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой». Такое оформление часто используют в сабвуферах.
Слайд
Обеспечить качественное воспроизведение звука с помощью однополосной АС практически невозможно или сложно, поэтому они применяются только в бюджетных решениях, например, в дешевых колонках для компьютеров. Высококачественные АС за редкими исключениями являются многополосными.
В большинстве АС для домашнего применения используются т.н. пассивные фильтры, которые включают между усилителем и громкоговорителем (рис. 17).
Слайд
В «активных» АС со встроенными многополосными усилителями применяются активные фильтры, включенные до усилителя и также называемые кроссоверами.
По сравнению с пассивными, активные фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т.д. Однако пассивные фильтры обеспечивают больший динамический диапазон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений.
Слайд