Все начинается с микрофона

Данные некоторых распространенных микрофонов приведены в табл. 7.

В ней наряду с уже знакомыми нам характеристиками – полоса частот и неравномерность частотной характеристики (рис. 21) – вы встретите и незнакомые. Среди них – чувствительность. Она показывает, какое напряжение дает микрофон под действием звукового давления 1 н/м².

Рис. 21. Частотная характеристика микрофона показывает, как зависит выходное напряжение от частоты звука при неизменном звуковом давлении.

Чем лучше микрофон преобразует звуковую энергию в электрическую, тем больше его выходное напряжение при одном и том же звуковом давлении, тем, следовательно, выше чувствительность [3].

В табл. 7 указано также рекомендованное сопротивление нагрузки, то есть сопротивление, на которое должна работать звуковая катушка микрофона. Если сделать сопротивление нагрузки больше, то возрастут искажения, а если меньше – снизится чувствительность.

Есть микрофоны (они называются направленными), которые по‑разному реагируют на звуки, идущие с различных направлений. Иногда такие микрофоны очень удобны – они, например, хорошо «слышат» голос певца и «не обращают внимания» на шум в зале. Можно построить своего рода карту, которая покажет, как меняется чувствительность при изменении направления звука. Такая карта (рис. 22) называется диаграммой направленности. Ее легко получить, если обойти с источником звука вокруг микрофона и одновременно измерять выходное напряжение. Наиболее часто встречаются диаграммы трех видов: круговая (ненаправленный микрофон – НН), кардиоидная, то есть напоминающая очертания сердца (однонаправленный микрофон – ОН), и «восьмерка» (двунаправленный микрофон – ДИ). Сокращенные обозначения вида направленности приведены в таблице.

Рис. 22. Диаграмма направленности микрофона показывает, как зависит его чувствительность от направления, с которого приходит звук. Различают микрофоны ненаправленные (НН), однонаправленные (ОН) двунаправленные (ДН).

Среди всех электродинамических микрофонов (МД) есть несколько типов (МД‑41, МД‑47, МД‑55) с весьма высокой чувствительностью. Она достигается благодаря тому, что внутри микрофона установлен миниатюрный трансформатор или автотрансформатор, повышающий выходное напряжение. Без такого трансформатора чувствительность микрофона резко падает и мало отличается от чувствительности других динамических микрофонов.

Высокое рекомендованное сопротивление нагрузки микрофонов также всегда связано с использованием трансформаторов.

Микрофонный трансформатор повышает выходное напряжение в 15–25 раз. Вот данные одного из таких трансформаторов (микрофон МД‑47). Первичная обмотка – 140 витков, провода ПЭЛШО – 0,25; вторичная обмотка – 3500 витков, провода ПЭВ = 0,13; сердечник – кольцо, свернутое из пермаллоевой ленты шириной 9 мм. Для того чтобы защитить трансформатор от внешних электрических и магнитных полей, его прячут в экран из толстого (до 5–8 мм) пермаллоя или мягкой стали. С той же целью оба провода, которые выходят из микрофона, заключены в экранирующий чулок.

В последние годы получили распространение миниатюрные электромагнитные микрофоны М‑1 (для транзисторных слуховых аппаратов), ДЭМШ‑1 и ДЭМ‑4м. По своему устройству они напоминают хорошо всем известный электромагнитный преобразователь – головной телефон (наушник). Основой здесь являются постоянные магниты, прилегающая к ним неподвижная катушка с весьма большим числом витков и легкая подвижная стальная мембрана (рис. 20, 2 ).

рис. 20 , 2

Электромагнитные преобразователи устроены так, что колебания мембраны приводят к изменению магнитного поля катушки, и на ее концах появляется э. д. с. И наоборот, если пропустить по катушке низкочастотный переменный ток, то мембрана придет в движение и создаст звуковые волны. Это значит, что электромагнитные переводчики, так же как и электродинамические, могут работать как в качестве микрофона, так и в качестве громкоговорителя (здесь, пожалуй, вместо «громко» правильнее было бы поставить «тихо»).

Головной телефон (ТОН‑1) мы ввели в таблицу не только для сравнения. Когда под руками не найдется ничего другого, как говорят радисты, «в аварийном случае», он может взять на себя и роль переводчика‑микрофона.

Особую группу составляют так называемые пьезомикрофоны (рис. 20, 3 ). «Сердце» такого микрофона – кристалл с пьезоэлектрическим эффектом. При сжатии или растяжении этого кристалла на нем появляется электрическое напряжение. Благодаря этому пьезокристалл прекрасно справляется с обязанностями переводчика: под действием звуковых волн, то есть под действием переменного звукового давления, создает переменное напряжение – электрическую копию звука. Иногда любители применяют пьезомикрофоны от слуховых аппаратов «Звук», «Слух» и «Кристалл».

рис. 20 , 3

В таблице вы найдете и микрофонные капсюли от телефонных аппаратов (МК‑10, МК‑59). Вы, очевидно, знаете, как работают эти переводчики. Под действием звуковых волн меняется давление на угольный порошок, которым заполнен капсюль (рис. 20, 4 ), меняется плотность, а значит, и электрическое сопротивление порошка. Если пропустить через капсюль ток, то, согласно закону Ома (величина тока зависит от сопротивления цепи), он будет меняться, превращаясь в электрическую копию звука.

рис. 20 , 4

Сам по себе угольный капсюль – это еще не микрофон. К нему необходимо добавить источник постоянного тока, например батарейку на 1–1,5 в. Кроме того, капсюль обычно включают через трансформатор (Тр‑м ), который отделяет переменный ток от постоянного. Постоянный ток, как известно, через трансформатор не проходит, и поэтому во вторичную обмотку (обмотка II) попадает лишь основная продукция микрофона – переменное напряжение низкой частоты. Существуют и другие схемы включения угольных микрофонов (рис. 68, 7 ).

Главное достоинство угольных микрофонов – высокая чувствительность – определяется тем, что на создание электрической копии звука расходуется энергия батареи. Начальную величину тока, от которой сильно зависит чувствительность, устанавливают в зависимости от общего сопротивления капсюля. Для низкоомных капсюлей (сопротивление до 50 ом) рекомендуется сила тока до 80 ма, для среднеомных (70–150 ом) – не более 50 ма и для высокоомных (150–300 ом) – не более 25 ма. Если уменьшить начальный ток, уменьшится и чувствительность, но при этом снизятся все виды искажений.

Самое главное, что нужно знать об электромагнитных телефонах (наушниках) и угольных капсюлях, – это то, что их нельзя вынимать из телефонных аппаратов и особенно из телефонов‑автоматов. Тот, кто выдернет капсюль или наушник из действующего телефона, – самый настоящий преступник. Сам того не зная, он может стать даже убийцей. Не верите? А вы представьте себе, как ночью люди мечутся от одного испорченного телефона к другому, тщетно пытаясь вызвать «скорую помощь» или пожарную машину…

Наушники и капсюли стоят недорого, и не так‑то уж сложно их купить. Ну, а если вы не найдете их в магазине, обратитесь на любой телефонный узел, в любую воинскую часть связи, и вам там наверняка не откажут. Вы уже, очевидно, обратили внимание на то, что вся табл. 7 разделена на три части. В первую попали так называемые профессиональные микрофоны, предназначенные для студий радиовещания, телевидения и звукозаписи, для концертных залов. Любители такие микрофоны применяют редко: они нужны лишь тогда, когда все остальное оборудование, в том числе и студия, где установлен микрофон, достойны его высоких качественных показателей.

Третья, самая нижняя часть таблицы отводится микрофонам, для которых характерны сравнительно большие искажения, особенно частотные. Для речевых передач эти микрофоны еще пригодны, а вот музыку могут сильно исказить.

Наиболее широко радиолюбители применяют динамические микрофоны, данные которых приведены в средней части табл. 7. В этих микрофонах простота, надежность и сравнительно невысокая стоимость сочетаются с вполне удовлетворительными характеристиками. Любительские микрофоны обычно отличаются высокой чувствительностью (за счет трансформатора) при довольно широкой полосе частот.

У микрофона есть много «коллег», которые так же, как и он сам, создают электрические копии звуковых колебаний. Разница лишь в том, что микрофон, образно говоря, переводит на электрический язык то, что слышал сам, а его «коллеги» специализировались на переводе письменных источников. Вы уже, очевидно, догадались, что «коллеги», о которых идет речь, – это считывающие устройства в системах звукозаписи: магнитные головки, звукосниматели, фотоэлементы. Многие «коллеги» одновременно являются близкими «родственниками» микрофона, так как очень похожи на него по своему устройству и принципу действия.

Записать звук – это значит создать своего рода график – его называют фонограммой, в котором каким‑то образом отражались бы изменения звукового давления. Так, фонограмма звукового кино – это узкая прозрачная полоска (рис. 23, а , 24, а ), ширина которой меняется, чем‑то напоминая кривую на обычном графике звука. От ширины прозрачной полоски зависит количество света, попадающего на фотоэлемент. Поэтому, когда пленка движется перед фотоэлементом, ток в его цепи меняется, превращаясь в электрическую копию записанного звука. В реальных киноустановках с фотоэлемента получают низкочастотное напряжение 0,5–5 мв.

Рис. 23. Записать звук – это значит создать своего рода график (фонограмму), где тем или иным способом будет отмечено, как менялось звуковое давление с течением времени.

Рис. 24. При воспроизведении звука считывающее устройство (фотоэлемент, магнитная головка, звукосниматель) «просматривает» фонограмму и создает электрический сигнал – копию звука. В дальнейшем эта электрическая копия превращается в звук.

Магнитная фонограмма – это тоже своего рода график, нарисованный «магнитными чернилами». Изменения звукового давления отражены в изменениях намагниченности стальной проволоки или специальной пленки с тонким слоем окислов железа. Чем громче звук, чем выше амплитуда звукового давления, тем сильнее магнитный след, оставленный на фонограмме в процессе записи. Пленка движется мимо тонкой щели магнитной головки (катушка на сердечнике), плотно прилегая к ней (рис. 24, б ). При этом меняется магнитное поле, которое пленка создает в сердечнике, и в катушке наводится переменный ток. Ток повторяет все изменения намагниченности пленки, то есть в итоге все изменения звукового давления. Как видите, воспроизводящая магнитная головка по принципу действия чем‑то напоминает электромагнитный микрофон (рис. 24, б ). Типичные головки развивают низкочастотное напряжение до 0,5–10 мв.

Самая простая, самая популярная и, пожалуй, самая удобная фонограмма – это обычная граммофонная пластинка. Звук записан на пластинке (диске) в виде тонкой извилистой спиральной канавки, а «считывание» осуществляет звукосниматель, игла которого тщательно «ощупывает» канавку (рис. 23, в , 24, в ).

В последние годы достигнуто весьма высокое качество грамзаписи. В частности, частотная характеристика фонограммы лежит в пределах 100 гц – 16 кгц при неравномерности до 20 дб. А еще недавно частота 4,5 кгц считалась предельной. С появлением долгоиграющих пластинок в значительной мере уменьшился главный недостаток грамзаписей – высокий уровень собственных шумов.

Современные звукосниматели очень напоминают пьезоэлектрический микрофон. Игла, двигаясь по звуковой канавке, колеблется, следуя за всеми ее изгибами. Колебания иглы передаются пьезокристаллу, и на нем появляется переменное напряжение низкой частоты. Внешний вид, устройство и основные детали одного из распространенных звукоснимателей показаны на рисунке 20, 5, б .

рис. 20 , 5, б

Вот некоторые цифры, характеризующие его работу: вес звукоснимателя, приведенный к концу иглы, не превышает 5–12 г; диаметр кончика иглы для обычных пластинок 20 мк. для долгоиграющих – 8 мк; амплитуда колебаний иглы, соответствующая самым громким звукам, – 30 мк, самым тихим – 0,3 мк; этим колебаниям соответствует напряжение на кристалле 2 и 200 мв; рекомендованное сопротивление нагрузки звукоснимателя 100–500 ком.

На этом мы заканчиваем знакомство с микрофоном, его «коллегами» и «родственниками». Настала очередь громкоговорителей.

Громкоговоритель

Конструктивной основой электродинамического громкоговорителя (рис. 14, 1 ) можно считать штампованный корпус из довольно толстой (0,5–2 мм) листовой стали. К нему прикреплена магнитная система, которая чаще всего имеет форму стакана или скобы. Сам постоянный магнит изготовлен из специальных сплавов АЛНИ, АНМ, АНКО, в которые входят железо, алюминий, никель, а в последний сплав – еще и кобальт. В последнее время широко применяется магнитная керамика – фероксдур. Это особым образом спрессованные порошки окислов железа и бария, сильно намагниченные и спекшиеся при высокой температуре. Керамические магниты официально называют МБА – магниты бариевые анизотропные. Магнитную систему конструируют так, чтобы самое сильное поле было в зазоре между керном и фланцем, то есть там, где находятся витки звуковой катушки.

Звуковая катушка намотана на плотном бумажном или картонном каркасе и вся вместе с обмоткой пропитана бакелитовым лаком. Обмотка выполнена медным проводом диаметром 0,1–0,12 мм (малая мощность) или 0,15–0,2 мм (мощность более 1 ва). Провод уложен в два, а иногда и четыре слоя, чтобы оба вывода были направлены в сторону диффузора. Наиболее распространены катушки с сопротивлением 2–12 ом (табл. 8), и поэтому динамические громкоговорители часто называют низкоомными. В последнее время, правда, начинают появляться и высокоомные динамики, но о них будет отдельный разговор (стр. 234).

¹Первая цифра названия указывает мощность громкоговорителя в вольтамперах.

_{Мощность громкоговорителя ВГД‑1 равна 3 ва.}

Рассмотрим некоторые характеристики громкоговорителя. Громкоговоритель неодинаково хорошо превращает в звук электрические сигналы разных частот, иными словами, вносит частотные искажения. Частотная характеристика громкоговорителя в основном определяется размерами, конструкцией, материалом, способом подвески диффузора. Материалом для диффузора, как правило, служит бумажная масса, часто с примесью шерсти; основная технология – литье, штамповка. Громкоговорители с небольшим диффузором плохо воспроизводят низшие частоты и хорошо высшие – небольшой, подвижный, легкий диффузор послушно следует за самыми быстрыми изменениями тока. Диффузор большого диаметра, наоборот, плохо воспроизводит высшие частоты, так как его «дальние районы» не поспевают за быстрыми движениями звуковой катушки. Зато громкоговорители с большим диффузором хорошо воспроизводят низшие частоты, и их часто называют низкочастотными.

Частотная характеристика в области низших частот в огромной степени зависит от резонансных свойств подвижной системы громкоговорителя. Диффузор, звуковая катушка, центрирующая шайба образуют самую настоящую колебательную систему, своего рода гитарную струну. Частота собственных колебаний этой «струны» обычно лежит в пределах 30–300 гц. Если подвести к громкоговорителю переменный ток сложной формы, то подвижная система за счет резонанса будет подчеркивать те составляющие этого тока, частота которых равна частоте собственных колебаний. Поэтому в районе резонансной частоты (частота собственных колебаний) будет некоторый подъем частотной характеристики (рис. 14, 6 ). Такой подъем иногда полезен (рис. 33).

рис. 14 , 6

Однако у этой красивой медали, как и у всякой другой, есть и обратная сторона. После резонанса появляется своего рода обрыв на частотах ниже резонансной, – громкоговоритель практически перестает работать. Вот почему при выборе низкочастотных громкоговорителей стараются подобрать экземпляр с самой низкой резонансной частотой и сместить завал частотной характеристики как можно левее, в область низших частот.

Но и это еще не все.

Резко выраженный резонанс подвижной системы – явление неприятное, и его стараются приглушить, даже если он попадает на самые низшие частоты. При воспроизведении реальных звуков – речи и музыки – громкоговоритель почти все время работает в импульсном режиме, воспроизводит звуковые импульсы, толчки. После каждого такого толчка подвижная система будет некоторое время совершать свободные колебания (вспомните кинофильм о колебаниях струны) и излучать при этом свои собственные призвуки (рис. 25).

Рис. 25. В громкоговорителе с сильно выраженными резонансными свойствами под действием импульсных сигналов возникают свободные колебания диффузора, появляются посторонние призвуки и, следовательно, увеличиваются нелинейные искажения.

Чтобы избавиться от этого неприятного явления или, по крайней мере, ослабить его, подвижную систему стараются демпфировать – создать в ней дополнительные потери энергии и резко сократить время свободных колебаний. Демпфирование осуществляется несколькими путями и в том числе с помощью так называемого внешнего оформления громкоговорителя – ящиков, футляров, щитов и т. п.

Чтобы улучшить демпфирование, можно также зашунтировать звуковую катушку. При этом, чем меньше шунтирующее сопротивление (рис. 30, 7, а ), тем больше потери в колебательной системе, тем хуже ее резонансные свойства, тем, следовательно, лучше демпфирование. Правда, всякий посторонний шунт наряду с полезным делом – демпфированием – будет приносить заметный вред: отбирать мощность, предназначенную для звуковой катушки. Здесь напрашивается такой вывод: не включать отдельный «пожиратель» колебательной энергии, а подобрать источник сигнала таким образом, чтобы он сам сильно шунтировал звуковую катушку своим выходным сопротивлением.

Мы увидим дальше, что источником сигнала для громкоговорителя почти всегда является ламповый или транзисторный усилитель. Среди прочих характеристик такого усилителя важное значение имеет его выходное сопротивление.

Чем меньше это сопротивление, тем лучше демпфирован громкоговоритель, подключенный к усилителю (рис. 25). Качество работы громкоговорителя в большой степени зависит от центровки звуковой катушки. Даже незначительная асимметрия, небольшое смещение оси значительно повышает все виды искажений, не говоря уже о том, что может вызвать «затирание» витков о фланцы магнитной системы (рис. 14, 1, г ).

рис. 14 , 1, г

Центровка звуковой катушки осуществляется с помощью эластичной гофрированной шайбы из пропитанного лаком шелковистого материала. Иногда встречаются и другие типы центрирующих шайб (рис. 14, 1, в ).

рис. 14 , 1, в

Коэффициент нелинейных искажений для конкретных типов громкоговорителей в таблицах не указывают. Предполагается, что для любого динамического громкоговорителя при номинальной мощности коэффициент К _н.и на средних частотах составляет 5 %, на высших – 3 %, а на низших частотах – 7 % и даже 10 %. Эти данные соответствуют номинальной мощности громкоговорителя.

Считается, что повышенные искажения на низших частотах малозаметны. Основания для такого на первый взгляд странного вывода дает статистика. Оказывается, что в реальном случае при воспроизведении музыки и речи мощность низкочастотных составляющих в среднем сравнительно невелика, сами по себе они редко выходят на нелинейные участки амплитудной характеристики.

В табл. 8 приведена величина сопротивления звуковой катушки громкоговорителя на частоте 1000 гц (z_зв‑1000 ). Эта оговорка нужна потому, что полное сопротивление катушки z носит сложный характер: в нем отражены затраты энергии на излучение звука, учтено индуктивное сопротивление катушки x_L , потери в проводе R_зв и другие виды потерь. Некоторые из этих составляющих сильно зависят от частоты и могут меняться в несколько раз (рис. 14, 4 ).

рис. 14 , 4

Вот почему, называя величину сопротивления катушки, приходится указывать, к какой частоте оно относится. Кстати, если вам попадется громкоговоритель, данных которого нет в таблице, то величину z_зв‑1000 можно приближенно определить самому. На средних частотах и на частоте 1000 гц полное сопротивление z_зв обычно на 10–20 % больше активного сопротивления провода R_зв , а эту величину можно измерить омметром. В дальнейшем, смирившись с некоторой неточностью, будем считать, что полное сопротивление равно активному R_зв .

Важная характеристика громкоговорителя – его номинальная (это слово имеет примерно тот же смысл, что и «нормальная», «расчетная») электрическая мощность Р_{зв. ном} – мощность, которая находится на границе допустимых нелинейных искажений. Если подвести к громкоговорителю мощность Р_зв больше номинальной (рис. 26), то колебания диффузора попадут в область сильной нелинейности и К_н.и превысит допустимую величину (5–7 %). И наоборот, если подводимая мощность меньше номинальной, то и нелинейные искажения значительно меньше допустимых.

Рис. 26. Мощность, подводимая к громкоговорителю, не должна превышать его номинальной мощности, так как при перегрузке резко возрастают нелинейные искажения.

Вы уже, очевидно, обратили внимание, что в табл. 8 мощность указана не в привычных единицах – ваттах (вт), а в незнакомых нам пока единицах – вольтамперах (ва). Прежде чем говорить о различии этих единиц мощности, отметим их сходство.

Как известно, мощность Р – это произведение напряжения U на ток I . Мощность, потребляемая громкоговорителем P_зв – это произведение напряжения, подведенного к звуковой катушке, U_зв на величину тока в ней I_зв (рис. 30, 8 ).

рис. 30 , 8

Если напряжение равно 1 в, а ток 1 а, то мощность равна 1 вт, то есть количественно вольт, умноженный на ампер (вольтампер), равен ватту. Зачем же, спросите вы, пользоваться двумя равными по величине единицами? Недостаточно ли одной? Две единицы – вт и ва – введены для того, чтобы показать некоторое качественное отличие, показать, что существуют два сорта мощности: активная мощность (измеряется в ваттах) и реактивная мощность (измеряется в вольтметрах).

Активная мощность – это то, что громкоговоритель забирает навсегда: она затрачивается на излучение звуковых волн, на нагрев провода катушки, то есть эта мощность расходуется необратимо. Примером реактивной мощности может служить то, что «забирает» собственное магнитное поле катушки. Слово «забирает» мы взяли в кавычки потому, что магнитное поле навсегда электрической мощности не потребляет. Когда переменный ток нарастает, то он затрачивает энергию на создание магнитного поля. Но оно полностью возвращает «долг», когда ток начинает уменьшаться. Итак, реактивная мощность не расходуется, а просто перекачивается от генератора к нагрузке – в нашем примере к звуковой катушке и обратно. Реактивная мощность зависит от реактивного (в нашем случае индуктивного) сопротивления и меняется с частотой.

Для того чтобы отличить активные, потребляемые ватты от реактивных, последние называют вольтамперами. Эта же единица используется для обозначения полной мощности, в которую входит реактивная и активная составляющие. Нужно сказать, что на средних частотах указанная в табл. 8 полная мощность на 80–90 % состоит из активной составляющей, так как большую часть энергии громкоговоритель забирает навсегда. Поэтому в дальнейшем мы будем считать мощность, которая подводится к громкоговорителю, чисто активной и обозначать ее в ваттах, а на реактивную мощность там, где это только возможно, не будем обращать внимания. Кстати говоря, это наше решение прямо вытекает из того, что мы пренебрегаем индуктивной составляющей полного сопротивления катушки и считаем, что полное сопротивление z_зв‑1000 примерно равно активному R_зв .

В заключение отметим, что номинальная мощность громкоговорителя входит в его название – первая цифра указывает величину Р_{зв. ном} в ваттах (строго говоря, в вольтамперах). Так, например, название 1ГД‑9 обозначает: «громкоговоритель динамический на 1 ва». В название может входить еще и третья буква – «В» – высокочастотный и «Р» – рупорный и др. Последняя цифра – это конкретный тип громкоговорителя. Вторая группа букв (они встречаются редко) указывает завод‑изготовитель (РРЗ – рижский радиозавод; завод ВЭФ и др.).

До сих пор речь шла о подводимой к громкоговорителю электрической мощности, то есть о том, что получает наш переводчик. Ну, а что он дает взамен? Как использует полученную электроэнергию? Насколько эффективно превращает ее в звуковую? Скажем прямо – хвастаться здесь нечем.

Коэффициент полезного действия динамического громкоговорителя очень мал: 2–3 %. Это значит, если подвести к звуковой катушке электрический сигнал мощностью 1 вт, то диффузор создает звуковые волны мощностью всего в две‑три сотых ватта. О продукции громкоговорителя можно судить по среднему звуковому давлению, отнесенному к расстоянию 1 м [4].

На рис. 27 приведен график, который показывает, какую мощность должны получать громкоговорители, чтобы они были достаточно хорошо слышны в том или ином помещении.

Рис. 27. Мощность, необходимая для того, чтобы озвучить то или иное помещение, зависит от его объема, а также от необходимого уровня громкости и уровня внутренних шумов.

Этот график, конечно, нельзя считать непоколебимой нормой – он дает лишь примерное представление о необходимой мощности. Так, для помещения, сильно поглощающего звук (комната, заставленная мебелью, заполненный зал и т. д.), может понадобиться значительно более мощный звук, чем для такого же пустого. Многое зависит от уровня шумов, возникающих в самом помещении или проникающих извне.

Например, когда в вашем классе идет шумный спор, то вы не услышите громкоговоритель, если к нему подвести мощность 2–3 вт. Но когда шум стихнет, то и слабый громкоговоритель, к которому подводится 0,25 или даже 0,1 вт, будет слышен достаточно громко (рис. 29).

Заканчивая разговор о мощности громкоговорителя, сделаем три заключительных замечания.

Первое. Характеризуя работоспособность громкоговорителя, мы всегда будем приводить только величину его электрической мощности, то есть мощности электрического сигнала, подводимого к громкоговорителю. Если известен к. п. д., то в случае необходимости можно легко определить и акустическую мощность.

Второе. В табл. 8 указана номинальная мощность – тот «потолок», выше которого начинается область сильных нелинейных искажений. Ясно, что этот «потолок» должен соответствовать самым громким звукам. Но статистика показывает, что самые громкие звуки бывают не так уж часто, и поэтому средняя мощность, которая подводится к громкоговорителю, а значит, и средняя мощность звуковых волн оказываются обычно в 5–10 раз меньше номинальной. Иногда особенно экономные конструкторы, учитывая, что пиковая (максимальная) звуковая мощность – явление редкое, допускают некоторую перегрузку громкоговорителя. Пример: к громкоговорителю с номинальной мощностью 1 вт подводят сигнал с пиковой мощностью 1,5 вт, а то и 2 вт. В такие моменты нелинейные искажения очень велики и единственным утешением является то, что подобное «безобразие» бывает очень редко. Там, где главной задачей является высококачественное звучание, даже самые кратковременные перегрузки недопустимы.

Третье. В ряде случаев для снижения К_н.и применяются громкоговорители с запасом мощности. Пример: к пятиваттному громкоговорителю подводят 3 вт. Уменьшения звуковой мощности при этом не происходит: электрический сигнал мощностью 3 вт с помощью пятиваттного громкоговорителя создает такую же звуковую мощность, как и с помощью трехваттного.

К этим замечаниям нужно было бы добавить еще одно: о влиянии на мощность громкоговорителя его внешнего оформления. Однако вопрос этот настолько важен, что для его освещения не стоит ограничиваться коротким замечанием – здесь есть о чем рассказать подробно.

Внимание – ящик!

Радиолюбители могут создать свой вариант знаменитой андерсеновской сказки о голом короле. Главным героем этой сказки будет электродинамический громкоговоритель – Его Величество Динамик Первый. Это действительно король‑динамик – с роскошной королевской частотной характеристикой (без завалов), с «заграничным» резонансом (резонансная частота составляет 10 гц, то есть выходит за границу слышимого звука) и, конечно, с аристократической степенностью (хорошее демпфирование).

Включили радиолюбители громкоговоритель, слушают, как поет Его Величество, слушают и громко восхищаются:

«Ах, какой тембр!»

«Ах, какие басы!»

«Ах, как плачут скрипки!..»

А каждый, между прочим, про себя думает, что никаких басов, никакого особого тембра не слышно, что звучит король‑динамик очень плохо.

Думают так радиолюбители, а сказать об этом стесняются – скажешь, а тебя же засмеют, и выйдет, что ты ничего в динамиках не понимаешь…

И вдруг, почти так же, как и у Андерсена, к радиолюбительской компании подходит мальчик ясельного возраста и говорит такие слова: «Плохо у вас, дяденьки, радио играет, а все потому, что без коробочки». Тут все замечают, что громкоговоритель в спешке действительно забыли вставить в ящик. Вспоминают, что «без одежды» ни один динамик, даже Его Величество Король, не будет хорошо звучать, не сможет показать всех своих достоинств.

Мы с вами не будем следить за дальнейшим развитием событий в сказке «Голый Динамик», а лучше выясним, каким образом и в какой степени внешнее оформление, в том числе и ящик, влияет на качество звучания [5].

Начнем с того, что громкоговоритель может сам ослаблять свое же собственное излучение. В тот момент, когда диффузор сжимает перед собой воздух, двигаясь вперед, сзади диффузора создается разрежение. И наоборот, в момент отступления разрежение создается впереди диффузора, а сжатие – позади. Иными словами, диффузор одновременно излучает две звуковые волны, причем сдвинутые по фазе на 180° (рис. 3, в ). Если обе эти волны с тем же сдвигом фаз попадут к нашему уху, то мы вообще ничего не услышим – противофазные волны просто скомпенсируют друг друга (рис. 28, б ).

Рис. 28 Акустический экран удлиняет путь обратной звуковой волны (пунктир), создает дополнительный сдвиг фаз и превращает противофазную обратную волну в синфазную.

В реальном случае полного «взаимного пожирания» звуковых волн не происходит хотя бы потому, что в направлении вперед громкоговоритель излучает более сильную волну. А вот резкое ослабление звука из‑за противофазного излучения мы наблюдаем на средних и особенно на низших звуковых частотах.

Рисунок поясняет, почему это неприятное явление в основном затрагивает область низших звуковых частот. Вы видите, что волна, возникающая сзади диффузора, приходит к слушателю более длинным путем (пунктирные линии), то есть с некоторым опозданием. На высших звуковых частотах, когда период мал, из‑за этого опоздания появляется дополнительный сдвиг фаз, и практически получается, что враги становятся друзьями: обе, в прошлом противофазные, волны действуют согласованно, в фазе. На средних и особенно на низших частотах опоздание составляет лишь небольшую часть периода, и заметного дополнительного сдвига фаз не получается. Таким образом, из‑за противофазного излучения падает звуковая мощность (по статистике она в основном приходится на средние частоты) и появляется сильный завал частотной характеристики в области низших частот.

Способ устранения этих недостатков напрашивается сам собой: нужно просто искусственно увеличить опоздание задней волны. Сделать это проще всего с помощью акустического экрана, который радиолюбители иногда неправильно называют отражательной доской. Размеры и форма экрана подбираются так, чтобы создать необходимое опоздание, необходимый дополнительный сдвиг фаз передней и задней волн на всех частотах. Лучшие результаты дает акустический экран с несимметричным расположением громкоговорителя.

Материалом для экрана может служить толстая (5–10 мм) фанера или доска; снаружи его закрывают декоративной тканью. Размеры экрана выбирают по графику рис. 29, 1, а с учетом нижней граничной частоты. Не имеет смысла рассчитывать акустический экран, так же как и другие «одежды», на те частоты, которые громкоговоритель не в состоянии воспроизвести.

Некоторые преимущества дает установка треугольного экрана в верхнем углу комнаты (рис. 29, 1, г ). В этом случае сами стены в какой‑то степени увеличивают действующую поверхность экрана и улучшают воспроизведение низших частот. И все же акустический экран «в чистом виде» применяют сравнительно редко.

Наиболее привычное внешнее оформление громкоговорителя – ящик – можно рассматривать как складной экран: он также создает нужное опоздание задней волны (рис. 28). Ящик – это довольно сложная акустическая система, чем‑то напоминающая резонаторы музыкальных инструментов. От размеров, формы и материала ящика во многом зависит качество звучания.

Так, например, ящик с открытой задней стенкой можно приравнять к обычному акустическому экрану (рис. 29, 1, б, в ). Ящик с закрытой задней стенкой уже по‑другому влияет на частотную характеристику. Воздух в замкнутом объеме меняет упругость подвижной системы громкоговорителя и повышает ее резонансную частоту.

рис. 29 , 1

Однако ящики с закрытой стенкой иногда все же находят применение. Правильно выбрав размеры такого ящика (график на рис. 29, 2, а ) и заполнив весь его объем звукопоглощающим материалом, например минеральной, стеклянной или обычной хлопчатобумажной ватой, можно получить хорошую компенсацию за несколько подпорченную частотную характеристику. Такой ящик с звукопоглотителем будет отлично демпфировать громкоговоритель. Что же касается завала на нижних частотах, то его, как вы увидите дальше (стр. 130, рис. 33, 35, 36 и др.), можно будет в некоторой степени скомпенсировать.

Дальнейшим развитием идеи закрытого ящика является акустический фазоинвертор (фазовращатель). Он позволяет осуществить эффективное демпфирование с помощью звукопоглотителя, то есть снижает нелинейные искажения и в то же время резко улучшает частотную характеристику в трудной области – в области нижних частот. Фазоинвертор рассчитывают таким образом, чтобы на самых низших частотах, вблизи резонанса громкоговорителя, он обеспечил синфазное, то есть согласованное, излучение звука как от самого диффузора, так и от специального окна в нижней части ящика (рис. 29, 2, б, в, е, ж ). Размеры ящика простейшего фазоинвертора можно определить по графику рис. 29, 2, г . Расстояние от осевой линии окна до ближайшей стенки ящика составляет 100–200 мм. Площадь окна при окончательной регулировке подбирается опытным путем с помощью подвижной заслонки. Значение такой регулировки иллюстрируется примером частотных характеристик на рис. 29, 2, д . Эти характеристики соответствуют трем разным положениям заслонки, закрывающей окно фазоинвертора.

рис. 29 , 2

Для изготовления больших ящиков, в том числе и фазоинверторов, используют доски и многослойную фанеру от 8 мм и толще. Можно применить и более тонкий материал, в том числе фанеру толщиной 5 мм и даже 4 мм. Разумеется, и этом случае для ящика должен быть построен прочный каркас. В последнее время многие любители считают, что лучший материал для акустических ящиков – толстые плиты из прессованной стружки. Стенки ящика должны быть хорошо подогнаны, прочно скреплены шурупами и столярным клеем; все щели и трещины перед наружной покраской необходимо тщательно зашпаклевать. Помните, что дребезжание каких‑либо частей ящика будет восприниматься как искажение звука. Если ящик предназначен для установки на полу, то под него нужно подложить прокладки из толстой (20–30 мм) резины. Высокочастотные громкоговорители рекомендуют сзади прикрыть плотными, лучше железными колпаками.

Фазоинвертор изнутри обязательно нужно покрыть звукоизолирующими материалами. Это может быть поролон, вата, пробка, войлок, многослойные покрытия из материи, картона, рубероида или битумной мастики. Толщина покрытия 10–40 мм.

В случае если в закрытом ящике или фазоинверторе установлено несколько громкоговорителей, то расчет по графикам (рис. 29, 2, г ) производят, исходя из диаметра «суммарного диффузора». Чтобы приблизительно подсчитать этот диаметр, нужно сложить площади всех диффузоров и из полученной суммы извлечь квадратный корень.

На рис. 29 показаны некоторые акустические агрегаты – ящики, в каждом из которых установлено несколько громкоговорителей. На рис. 29, 3 схематически показано устройство агрегата радиолы «Люкс» («Дружба»), на рис. 29, 4 – один из агрегатов радиолы «Ригонда», а на остальных рисунках (5, 6) – самодельные акустические агрегаты, сконструированные радиолюбителями. О том, как громкоговорители какого‑либо агрегата соединяются между собой и как они подключаются к источнику сигнала, будет рассказано дальше.

рис. 29 , 3, 4

Вы уже, конечно, догадались, что использование нескольких громкоговорителей в одном акустическом агрегате нужно не только для того, чтобы получить большую номинальную мощность. Разумно комбинируя громкоговорители, можно получить весьма равномерную и широкую частотную характеристику. Хорошо, если «на общее ухо» работают высокочастотные и низкочастотные громкоговорители, в том числе несколько низкочастотных громкоговорителей с разными резонансными частотами.

Кроме повышения мощности и выравнивания частотной характеристики, «коллектив» громкоговорителей улучшает еще один показатель звуковоспроизведения – диаграмму направленности. Так же как и микрофон по‑разному улавливает звук, идущий с различных направлений (рис. 22), громкоговоритель, в зависимости от направления, по‑разному излучает звуковые волны. Диаграмма направленности громкоговорителя показывает, во сколько раз слабее звук, излучаемый в том или ином направлении, по сравнению со звуком, излучаемым вдоль главной оси вперед (перпендикулярно диффузору). Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости чем‑то напоминает цветок с лепестками разной величины. С увеличением частоты «главный лепесток», направленный вперед, становится все более острым. Это значит, что если вы будете слушать громкоговоритель в стороне от главной оси, то получите значительно большую дозу частотных искажений, чем ваш товарищ, который сидит прямо перед громкоговорителем (рис. 72).

Острая диаграмма направленности имеет еще один недостаток: создает впечатление, что звук исходит из одной точки. Вообще‑то говоря, это правда – звук действительно к нам в основном приходит только от диффузора громкоговорителя. Но в большинстве случаев обман будет казаться более естественным, чем такая правда.

При воспроизведении речи или сольного пения звук, идущий из одной точки, – естественное явление. Иногда даже кажется, что диктор или певец находится именно в том углу комнаты, где установлен громкоговоритель. А вот при воспроизведении музыки в исполнении ансамблей (оркестр, хор) трудно представить себе, что все музыканты и певцы сгрудились на небольшом пятачке сцены. В этом случае более естественным будет казаться объемный звук, не привязанный к той точке, где находится диффузор громкоговорителя.

Самая простая из популярных систем объемного звука называется системой ЗД (рис. 73). Ее можно встретить во многих магнитофонах, радиоприемниках и радиолах, выпускаемых в настоящее время.

Но бывает и так, что направленность громкоговорителя является его достоинством. В основном это относится к мощным источникам звука, установленным в больших залах или на площадях. Здесь зачастую приходится излучать звуковые волны в одном определенном направлении: например, от сцены в глубину зала. В этом случае обычно применяют рупорные громкоговорители или направленные звуковые колонки (табл. 9).

Рупорный громкоговоритель (рис. 14, 5 ) очень похож на уже знакомый нам диффузорный и в то же время принципиально отличается от него. Сходство в том, что и здесь и там источником звуковых колебаний является электродинамическая система (ее называют звуковой головкой), состоящая из магнита и звуковой катушки с диффузором. Главное различие связано с тем, что не только диффузор, но и сам рупор участвует в излучении звуковых волн и определяет главные характеристики громкоговорителя. Благодаря применению рупора, к. п. д. громкоговорителя значительно повышается и достигает 6–8 %.

рис. 14 , 5

Долгое время среди рупорных динамических громкоговорителей самым популярным был десятиваттный Р‑10. У любителей он получил название «колокольчик». Сейчас на смену ему пришел рупорный громкоговоритель 10ГРД‑5 (первая цифра, как обычно, обозначает мощность). К этим громкоговорителям так же, как и к другим мощным излучателям, подводят низкочастотный электрический сигнал с напряжением 30 в, 120 в или 240 в (табл. 9). Это довольно большое напряжение, и его приходится подавать на звуковую катушку через понижающий трансформатор. В «колокольчике» и громкоговорителе 10ГРД‑5 понижающий трансформатор находится прямо под кожухом и так же, как и другие ответственные детали, герметически закрыт. Это необходимо для того, чтобы громкоговорители, установленные на улице, безотказно работали при любой погоде.

Вас, по‑видимому, интересует, зачем нужно подводить к громкоговорителю высокое напряжение, а затем понижать его с помощью трансформатора? Почему нельзя сразу подводить к громкоговорителю электрический сигнал с низким напряжением?

На второй вопрос хочется ответить вопросом: а для чего с электростанций мы передаем электроэнергию высокого напряжения и строим для этого специальные высоковольтные линии? Зачем сначала повышаем электрическое напряжение до десятков и сотен тысяч вольт, а затем понижаем его до 120 или 220 в? Делается все это для того, чтобы уменьшить потери энергии при передаче ее на большие расстояния.

Электрическая мощность в одинаковой степени зависит от тока и от напряжения. Поэтому одну и ту же мощность можно передать по линии при высоком напряжении и малом токе или, наоборот, при низком напряжении и большом токе.

Что выгоднее? Выгоднее передача энергии при небольшом токе: чем больше ток, тем сильнее он греет соединительные провода, тем больше электроэнергии теряется по пути и меньше ее приходит на конечную станцию. Перед тем как отправить электроэнергию в дальнее путешествие, мы для того и повышаем напряжение, чтобы уменьшить ток, а вместе с ним уменьшить и потери в линии передачи. Мощные рупорные громкоговорители, как правило, установлены на значительном расстоянии от источника электрического сигнала, и во избежание больших потерь этот сигнал выгоднее транспортировать, предварительно повысив его напряжение.

Тогда возникает другой вопрос: а почему нельзя это повышенное напряжение подавать сразу на звуковую катушку? Для чего нужен понижающий трансформатор? В качестве ответа проделаем небольшой расчет.

Если при мощности 10 вт подвести к звуковой катушке напряжение 120 в, ток в ней примерно будет равен 0,08 а (I = P : U , рис. 31, 8, б ). По закону Ома определяем необходимое сопротивление катушки. Оно равно около 1500 ом (R = U /I ), рис. 30, 5, ж ).

рис. 30 , 5

Сравнительно небольшой ток позволяет использовать для намотки весьма тонкий провод, например ПЭ = 0,05, каждый метр которого имеет сопротивление около 9 ом. Чтобы получить сопротивление 1500 ом на каркас звуковой катушки, нужно намотать более 170 м такого провода, и вся обмотка будет весить почти 3 г. Изготовить звуковую катушку с такими данными можно, но очень сложно. Куда проще применить трансформатор, который понизит напряжение, повысит ток и при этом во много раз уменьшит необходимую величину сопротивления звуковой катушки.

В качестве примера приводим данные звуковой катушки громкоговорителя Р‑10: номинальная мощность 10 вт; номинальное напряжение на катушке около 4,5 в; номинальный ток в катушке около 2,2 а; сопротивление катушки z_зв‑1000 около 2 ом (для постоянного тока сопротивление катушки R_зв = 1,7 ом); провод ПЭ = 0,21; длина провода 3,5 м; вес обмотки 0,8 г; число витков 39.

Попутно прикинем, каковы будут потери, если подводить к громкоговорителю сигнал низкого напряжения, то есть отказаться от понижающего трансформатора. Двухпроводная линия из провода диаметром 1 мм протяженностью всего 50 м имеет сопротивление около 2 ом. При токе 2,2 а потери на этой линии составят почти 10 вт (P = I ²·R ). То есть для того чтобы громкоговоритель получил 10 вт, в линию нужно подать 20 вт – мы вынуждены мириться с потерей половины энергии. В то же время при напряжении 120 в при токе 0,08 а, потери не будут превышать 0,15 вт, то есть 1,5 % от передаваемой мощности.

Подведем итоги. При передаче электроэнергии, в том числе и низкочастотного сигнала для громкоговорителя, на большие расстояния нужно повышать напряжение, чтобы уменьшить потери. К громкоговорителю нужно подводить напряжение, пониженное с помощью трансформатора, так как только в этом случае можно применять простые по конструкции и надежные катушки с малым сопротивлением.

Кроме того, применение трансформатора дает еще одно преимущество: сделав первичную обмотку секционированной, можно подводить к ней различные напряжения; в нашем примере 30 в, 120 в, 240 в. Благодаря секционированной обмотке мы фактически имеем три трансформатора с разным соотношением витков, то есть с разными коэффициентами трансформации – 0,15 (при повышении напряжения 7 ), 0,04 (25) и 0,02 (50).

Некоторые рупорные громкоговорители (10ГДН‑1, 25ГДН‑1, ДГР‑25) имеют круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, то есть равномерно излучают во все стороны (рис. 14, 7, а ). Такие громкоговорители обычно устанавливают в парках, скверах, на стадионах.

рис. 14 , 7

В последние годы наряду с мощными рупорными излучателями широко применяются направленные и ненаправленные звуковые колонки (рис. 14, 2 , табл. 9). В них используются обычные диффузорные громкоговорители, подключенные ко вторичной обмотке понижающего трансформатора. Последняя буква в названии колонки означает вид внешнего оформления: 1 – металлическое оформление, 2 – деревянное.

рис. 14 , 2

Звуковая колонка весьма проста по устройству, и ее довольно легко изготовить своими силами.

При подключении громкоговорителей звуковой колонки к трансформатору, точно так же, как и в любом другом случае включения совместно работающих громкоговорителей, необходимо произвести их фазировку (рис. 14, 3 ).

рис. 14 , 3

Иными словами, нужно добиться того, чтобы диффузоры всех громкоговорителей двигались согласованно, синфазно. Фазировку можно выполнить, если подключать громкоговорители постепенно, по одному, и, меняя местами провода, по которым подводится низкочастотное напряжение, прислушиваться, в каком случае агрегат работает лучше. Фазировку можно осуществить и с помощью низковольтного источника постоянного тока, например с помощью гальванического элемента на 1,5 в. Громкоговорители между собой нужно соединить таким образом, чтобы при подключении к элементу все диффузоры отклонялись в одну и ту же сторону (рис. 14, 3, б ).

Все члены «микрофонного семейства» – звукосниматели, магнитные головки, динамические, угольные, электромагнитные и другие типы микрофонов – дают на выходе электрический сигнал весьма небольшой мощности. Обычно мощность электрической копии измеряется тысячными, а чаще миллионными долями ватта. В то же время для нормальной работы воспроизводящих приборов – громкоговорителей – нужны мощности, измеряемые единицами, десятками, а иногда и сотнями ватт. Иными словами, для того чтобы «накормить» громкоговоритель, нужно иметь мощность в миллионы раз большую, чем может дать микрофон или кто‑либо из его «родственников». Из этого трагического несоответствия вместо «ахов» и «охов» нужно сделать простой и деловой вывод – между переводчиками, воспринимающими звук, и переводчиками, воспроизводящими его, необходимо включить усилитель электрических сигналов.

Глава III