Сворачивание, корпуса и размещение в помещении

До последнего момента обсуждение ограничивалось рассмотрением идеальных рупоров: круглого сечения, прямолинейных и изготовленных из очень жесткого материала. Хотя типичные размеры практических рупоров формально еще не рассчитывались, из многочисленных таблиц и диаграмм будет ясно, что габариты басовых рупоров почти наверняка окажутся слишком большими для удобного размещения в обычной комнате. Поэтому в процедуру проектирования должны быть

добавлены два дополнительных этапа: приведение сечения рупора к прямоугольному, а также его сворачивание до компактного размера.

Рэлей показал, что изгибы в трубах постоянного сечения не будут оказывать никакого воздействия на передаваемые звуки, если длина волны больше, чем диаметр, но любые возникающие внутри трубы взаимные колебания будут иметь основную частоту, соответствующую длине волны, равной 1,7 диаметра трубы. Вил-сон сформулировал три основных правила для свернутых рупоров:

• фронты волн не должны искривляться поперек рупора;
• диаметр рупора (ширина для прямоугольного) должен быть меньше, чем 0,6 от длины волны самых низкочастотных звуков, которые будут проходить через этот рупор;
• фронт волны для сохранения формы должен проходить через скругленные изгибы.

Как только происходит отклонение от прямолинейности и круглого сечения, все вышеописанные научные принципы проектирования прекращают быть истиной в последней инстанции и приобретают скорее рекомендательный характер; хотя три основных правила, указанных выше, в сочетании с грамотным выбором соответствующего (прежде всего, по жесткости) материала для строительства обеспечивают очень достойные результаты.

Способ сворачивания, который предусматривает искривление фронта волны в разных плоскостях, исключительно труден при практическом воплощении, поэтому его применения желательно избегать, используя свертывание только в одной плоскости. Требование ¦ускорить фронт волны вокруг изгиба для сохранения его формы¦ является труднодостижимым, когда присутствует более чем один изгиб, поскольку это требует, чтобы прямоугольное сечение до изгиба становилось трапецевидным непосредственно вокруг изгиба, после чего возвращалось к прямоугольному сечению, но уже другой формы (и площади). В действительности для многократно изгибающихся рупоров это непрактично и, более того, не нужно, потому что последующие изгибы исправляют форму волны. Но в случае, если изгиб только один, указанный подход может быть вполне применим.

Рис. 10. Способы сворачивания рупоров:
(а) Олсон; (b) Масса; (с) Лоутер; (d) Ньюкомб; (е) Клипш.

Зарегистрированные в течение 1920-30-ых годов записи Патентного Бюро, касающиеся конструкций свернутых рупоров, представляют собой прекрасный памятник изобретательности разработчиков акустических систем, и их изучение является поистине увлекательнейшим занятием. Рис. 10 иллюстрирует несколько наиболее хорошо известных способов сворачивания. Исходя из ограничения на ширину рупора, которая в изгибе не должна быть более 0,6 от наибольшей длины волны передаваемого звука, изначально предполагается, что сворачивание может быть использовано только в самом начале рупора на протяжении первых нескольких десятков сантиметров его длины; с определенной точки ширина достигает вышеупомянутого ограничения. Однако это ограничение может быть преодолено следующим способом: после каждой точки, где возникает ограничение по ширине, рупор раздваивается на два одинаковых тоннеля. Такая конструкция называется bifurcating (разветвленный, раздваивающийся). Таким образом, устье рупора может состоять, например, из четыре равных частей, соединенных для удобства и сохранения звукового реализма. Каждый из таких четырех ¦четверть-рупоров¦ может быть свернут гораздо ближе к устью, чем в исходном случае одного большого рупора. Рэлей в ст. 264 показал, что раздваивающийся тоннель не оказывает никакого эффекта на передачу звука в случае, если длины каждой из двух частей равны, а также если сумма их площадей в соответствующих точках равна площади первоначального тоннеля.

Во многих случаях передняя сторона громкоговорителя, обратная сторона которого нагружена на рупор, будет физически расположена в непосредственной близости от устья этого рупора. В связи с этим возникает опасение, что будет происходить подавление некоторых частот, вызванное интерференцией между двумя сигналами, излучаемыми в противофазе. Однако, поскольку прямое излучение передней части диффузора составляет всего несколько процентов от излучения из рупора, величина такого подавления окажется незначительной.

Обработка частот

Как уже было показано, каждый рупор работает в качестве акустического полосового фильтра, низшая граничная частота которого определяется постоянной расширения, а верхняя = объемом предрупорной камеры. Тем не менее, существуют важные причины, по которым широкополосный звуковой сигнал не должен подаваться непосредственно на все рупоры, независимо от рабочей полосы частот каждого из них. Изучение низкочастотной части спектра на рис. 3 (см. предыдущую часть статьи) показывает, что ниже частоты среза в акустической нагрузке, обеспечиваемой рупором, отсутствует активная составляющая. Таким образом, любые сигналы, имеющие частоту ниже граничной, вызовут чрезмерное смещение диффузора громкоговорителя, величина которого будет ограничена только механическими и электромагнитными факторами. Избыточное перемещение означает, что громкоговоритель работает вне своего линейного диапазона. Это может вызывать высокие интермодуляционные, а также другие виды нелинейных искажений. В верхней части спектра частот сигналы чрезмерной мощности могут также вызывать искажения из-за особенностей взаимодействия предрупорной камеры и горла. Поэтому выгодно ограничить полосу пропускания электрического сигнала, попадающего на каждый громкоговоритель, так, чтобы она соответствовала ¦акустической¦ полосе частот соответствующего рупора.

Рис. 11. Схема активной фильтрующей цепочки. Значения
емкостей и сопротивлений элементов приведены в приложении

Хотя большинство многополосных коммерческих систем для разделения полосы частот, достигающих каждого динамика, используют пассивные LC кроссоверные цепочки между усилителем мощности и громкоговорителем, внимательные сравнительные прослушивания показывают, что эти устройства явно вносят в итоговое звучание дополнительную ¦вялость¦ или ¦потерю блеска¦. Существует много объяснений и предположений о причинах таких явлений; наиболее вероятной из них является потеря ¦прямой связи¦ с выходом усилителя, сопровождающаяся существенным уменьшением степени электрического демпфирования, обеспечиваемого низким выходным сопротивлением усилителя.

Существует другой хорошо известный подход, при котором деление полосы частот входного сигнала осуществляется на низком уровне, после чего для каждого диапазона частот используется отдельный усилитель мощности, непосредственно соединенный со своим громкоговорителем. Кроссоверный блок состоит из трех (или четырех) параллельно включенных частотно-зависимых каналов, включающих активные фильтры Саллена-Ки, обеспечивающих заданные характеристики фильтров низких и высоких частот. В каждом канале используется небольшая регулировка усиления, чтобы учесть неизбежную разницу в чувствительности каждой комбинации ¦громкоговоритель/рупор¦. Активные фильтры обеспечивают характеристику фильтра Баттерворта 2-ого порядка, который, похоже, дает наименее выраженные неприятные эффекты в области частоты раздела. (Любая фильтрующая цепочка неизбежно вызывает фазовые сдвиги, влияние которых на переходные процессы приводит к заметным различиям в характере их звучания.)

Таким образом, в общем случае дополнительно к ¦акустическому кроссоверу¦, предоставляемому собственно рупором, необходим также электрический, в той или иной форме. Исключение имеет место в том случае, когда единственный громкоговоритель нагружен на два рупора: один с передней стороны диффузора, другой = с задней. В этой ситуации придется пойти на некоторый компромисс, касающийся приемлемого уровня искажений и полосы пропускания системы.

Направленные рупоры

В статье уже отмечена исключительная способность рупора излучать фронты волн, которые являются почти плоскими в его устье. Однако иногда желательно, чтобы фронт волны обладал различными характеристиками направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, особенно если средне- и высокочастотные рупоры используются в стереофонических системах. Часто требуется расширить диаграмму направленности в вертикальной плоскости, при этом максимально сохранив характеристику ¦точечного источника¦ в горизонтальной. Для достижения этого есть множество различных методов, основанных на явлениях дифракции и преломления, происходящими в устье рупора со звуковыми волнами сравнительно малой длины (несколько дюймов и меньше), с которыми эти высокочастотные рупоры имеют дело.

Проектирование и изготовление рупоров, использующих вышеперечисленные эффекты, выходят за рамки этой статьи, да и вполне вероятно, за пределы способностей большинства конструкторов-любителей. Заинтересовавшиеся могут обратиться к публикациям Смита (Smith), Винслоу (Winslow) и к соответствующим главам монографий Олсона и Коэна (Cohen).

В описанном Клипшем проекте своего высокочастотного рупора отношение длины/ширины прямоугольного устья принимает значение более 4:1. Оптимальные измерения, отношение длины к ширине и пропорциональное расширение по длинной и короткой оси зависят от ряда сложных факторов. Было, однако, установлено, что хорошие практические результаты получаются при соотношении сторон устья от 2:1 до 4:1, при этом ¦раскрыв¦ по осям происходит в подобном же соотношении.