Особенности использования громкоговорителей в системах оповещения

1. Введение
2. Устройство громкоговорителя
3. Основные параметры громкоговорителей
4. Классификация громкоговорителей для систем оповещения
5. Работа громкоговорителей
6. Основные типы акустического оформления громкоговорителей
7. Трансформаторные громкоговорители
8. Подключение громкоговорителей к системе звукоусиления
9. Трансформаторное согласование

 

1. Введение

Громкоговорители используются в различных сферах человеческой деятельности: в промышленности в транспорте, спорте, культуре, быту. В последнее время большое внимание уделяется сфере безопасности людей, в которой строятся системы оповещение о пожаре, системы оповещения о чрезвычайных ситуациях, системы оповещения в транспорте, системы громкоговорящей связи. Основной задачей каждой из этих систем является оповещение людей – доведение до них информации о той или иной угрозе. Основным исполнительным элементом каждой из этих систем является громкоговоритель, правильный выбор которого может повлиять на целесообразность системы в целом ее бюджета.

Для обеспечения безопасности людей, находящихся в зданиях и сооружениях, строятся комплексные системы безопасности, частью которых является система оповещения и управления эвакуацией людей СОУЭ. Основная задача СОУЭ – оповещение людей, доведение до них информации, направленной на обеспечение их личной безопасности. СОУЭ является комплексом технических средств и организационных мероприятий. Громкоговоритель является конечным исполнительным элементом технических средств СОУЭ, а его параметры являются входными для электроакустического расчета – части организационных мероприятий.

На основании существующей нормативной документации (НД) к громкоговорителю предъявляются следующие требования:

Речевые оповещатели СОУЭ должны обеспечивать общий уровень звука не менее 75 дБА на расстоянии 3м от оповещателя, но не более 120 дБА в любой точке защищаемого помещения, воспроизводить нормально слышимые частоты в диапазоне от 200 до 5000 Гц. Уровень звука информации от речевых оповещателей должен соответствовать нормам свода правил (см. ФЗ-123, свод правил СП-3-13130-2009, от 2009г, "Требования пожарной безопасности к звуковому и речевому оповещению и управлению эвакуацией людей").

Для обеспечения требований, изложенных в НД, необходим комплексный подход, в котором учитываются как характеристики громкоговорителя, обусловленные параметрами системы звукоусиления, так и его конструктивные особенности, обусловленные озвучиваемой средой – акустикой, конфигурацией и шумов в помещении. Для выполнения электроакустического расчета необходимо учитывать такие параметры громкоговорителя, как чувствительность и электрическая мощность, определяющие его громкость, амплитудно-частотную характеристику, определяющую его качество, диаграмму направленности, определяющую его направленные свойства.

В настоящее время производится большое количество громкоговорителей, различающихся по характеристикам, по конструктивному исполнению, по классу защиты, определяющему область их применения.

Громкоговоритель является преобразователем электрического сигнала в акустический. Основным параметром, определяющим эффективность громкоговорителя, является его КПД. На сегодняшний день утвердился подход, согласно которому громкоговоритель должен обеспечивать максимальное звуковое давление на рабочей оси при постоянстве подводимого напряжения (звукового сигнала) к его входу. Данный подход предполагает одновременное решение сразу двух задач: формирование необходимой громкости и одновременно КПД громкоговорителя.

При выборе громкоговорителя для системы оповещения необходимо иметь базовые представления о его особенностях: устройстве, функционировании, основных физических принципах, лежащих в его основе. Так, например, первое знакомство с громкоговорителем предполагает вопрос: качественный он или нет. Ответ: качество громкоговорителя, в самом простом случае определяется шириной и неравномерностью его частотной характеристики. Второй вопрос, как правило, связан с громкостью. Громкость то и ошибочно отождествляют с мощностью громкоговорителя, хотя это совсем не одно и тоже. Электрическая мощность звукового сигнала, измеряемая в ваттах, подводимая к громкоговорителю, действительно определяет его громкость, но в гораздо меньшей степени, чем его “чувствительность – звуковое давление”, измеряемое в децибелах. При работе с громкоговорителем необходимо четко представлять следующие основные зависимости. Чувствительность громкоговорителя находится в обратной зависимости (мат. ср. обратно пропорциональна) с качеством: чем выше чувствительность, тем хуже его качество и наоборот. Поэтому для получения большей громкости мы должны пожертвовать качеством. Для одновременного достижения и качества и громкости к громкоговорителю подводят большую электрическую мощность. Еще одна зависимость связана с характеристикой направленности (ХН) громкоговорителя. ХН определяется способом излучения и конструктивными особенностями громкоговорителя. Так, например, рупорные громкоговорители имеют высокое звуковое давление и узкую диаграмму направленности (они громкие и узконаправленные). Таким образом, существует еще одна зависимость: “направленность – громкость”. Чем выше направленность громкоговорителя, тем выше его громкость (мат. ср. прямая пропорциональность). Узкая направленность всегда сопряжена с ухудшением качества громкоговорителя: сужением его частотного диапазона в области низких частот, что можно рассматривать как третью фундаментальную зависимость.

Для удобства работы громкоговорители классифицируются по характеристикам, по конструктивным особенностям, по области применения. По характеристикам, громкоговорители можно разделить на классы (узкополосные и широкополосные), определяющие качество звучания и направленность (узконаправленные и широконаправленные ). Так, например, широкополосные громкоговорители используются для фонового озвучивания – гипермаркеты, фитнес центры; узкополосные – для речевых объявлений – автозаправки, парковки, ж/д платформы, вокзалы. Учет диаграммы направленности громкоговорителя необходим при озвучивании распределенных территорий. Широконаправленные громкоговорители охватывают большую круговую территорию, узконапраленные охватывают меньшую круговую территорию, но при этом “пробивают” большую дальность. Варьируя ДН громкоговорителей можно оптимизировать их количество и уменьшить при этом бюджет всей системы оповещения в целом. Так, например, один звуковой прожектор, используемый для озвучивания коридоров, способен заменить четыре настенных или потолочных громкоговорителя. По исполнению громкоговорители можно разделить на внутренние (IP-41), используемые для озвучивания отапливаемых помещений, и внешние (IP-54) используемые для озвучивания открытых площадок. Для промышленных объектов, имеющих дело с агрессивными веществами, взрывоопасных объектов, может потребоваться более высокий класс защиты (IP-66/67).

Еще одной важной особенностью громкоговорителей является способ их согласования с системой оповещения. По способу согласования громкоговорители можно разделить на низкоомные и трансформаторные. При низкоомном согласовании (реализованном, например, в бытовой технике – магнитофоны, плееры) громкоговоритель подключается непосредственно к выходному каскаду усилителя. Для построения распределенных систем оповещения, в которых громкоговорители удаляются от центральной системы на большие расстояния, используются трансформаторные громкоговорители. Принцип трансформаторного согласования позволяет минимизировать потери на проводах и различные паразитные наводки, возникающие в длинных линиях.

Учет особенностей и возможностей того или иного громкоговорителя позволит сформировать более грамотное, оптимальное техническое решение.

 

2. Устройство громкоговорителя

На рис.1 изображена упрощенная схема функционирования громкоговорителя.

Рис.1 - Упрощенная схема функционирования громкоговорителя

В громкоговорителе присутствуют следующие подсистемы:

  • ЭЛ – электрическая;
  • ЭМ – электромеханическая;
  • МА – механико-акустическая;
  • АК – акустическая.

Электрическая подсистема выполняет функцию согласования входного сопротивления электрической подсистемы с комплексным выходным сопротивлением усилителя в случае низкоомного согласования, или вторичной обмотки повышающего трансформатора в случае использования трансляционного усилителя.

Электромеханическая подсистема представляет собой устройство, преобразующее электрический сигнал на входе в механические колебания подвижного элемента на выходе.

Механико-акустическая подсистема служит для согласования механического импеданса громкоговорителя с частотно-зависимой компонентой сопротивления излучения, формируемой излучателем.

Акустическая подсистема, называемая излучателем, формирует сопротивление излучения, определяющее акустическую мощность излучателя. и в конечном итоге, КПД громкоговорителя.

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих эффективность громкоговорителя, является коэффициент полезного действия (КПД). КПД громкоговорителя находится из соотношения выходной акустической мощности излучателя к входной электрической мощности громкоговорителя и зависит от согласованности всех подсистем в целом.

 

3. Основные параметры громкоговорителей

Основным параметром, определяющим эффективность громкоговорителя, является его звуковое давление на выходе, измеряемое в децибелах. Звуковое давление, в свою очередь, определяется двумя параметрами – чувствительностью громкоговорителя, измеренным при определенных условиях и его электрической мощностью, измеряемой в ваттах.

Чувствительность громкоговорителя

Существует два вида чувствительности, характеристическая и осевая.

Характеристическая чувствительность (дБ) – отношение среднего звукового давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1м от рабочего центра, к квадратному корню из подводимой электрической мощности.

В последнее время большинство производителей в качестве характеристики громкости указывают осевую чувствительность.

Осевая чувствительность (иногда просто чувствительность) – отношение звукового давления, развиваемого в точке свободного поля, выбранной на рабочей оси громкоговорителя на расстоянии 1м от рабочего центра, к подводимой мощности (как правило, 1Вт.).

Звуковое давление громкоговорителя

При произвольном значении подводимой электрической мощности Pвт уровень звукового давления громкоговорителя (его фактическую громкость) можно определить как:

Мощность громкоговорителя

В технической литературе фигурирует множество различных определений мощности громкоговорителя, с которыми не просто разобраться.

В рекомендациях Международного Электротехнического Комитета (МЭК) 268-5 «Элементы электроакустических систем. Громкоговорители» и 581-7 «Минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi. Громкоговорители» приводятся следующие виды мощностей.

Характеристическая мощность громкоговорителя – мощность, при которой громкоговоритель создает характеристический уровень звукового давления 94 дБ на расстоянии 1м в диапазоне частот 100...8000 Гц.

Шумовая мощность определяется по результатам испытаний громкоговорителя на специальном шумовом сигнале в течение 100 ч. Значение шумовой мощности громкоговорителя совпадает со значением паспортной мощности, определяемой по ГОСТ 16122-78, т.к. при определении этих видов мощности используется один и тот же сигнал.

Максимальная синусоидальная мощность громкоговорителя – 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.

Номинальная мощность громкоговорителя – это электрическая мощность, при которой нелинейные искажения громкоговорителя не превышают требуемых значений.

Паспортная мощность громкоговорителя – определяется как наибольшая электрическая мощность, при которой громкоговоритель может длительное время удовлетворительно работать на реальном звуковом сигнале без тепловых и механических повреждений.

На сегодняшний день (по крайней мере, у нас в стране) наиболее употребительными являются два вида мощности – номинальная и синусоидальная.

Под номинальной мощностью (в дополнение к определению выше) понимают мощность, при которой в некотором (среднем) положении регулятора громкости усилителя нелинейные искажения громкоговорителя минимальны.

На сегодняшний день большинство производителей указывают в своих спецификациях синусоидальную мощность.

Синусоидальная мощность (англ. RMS – Rated Maximum Sinusoidal) – максимальная синусоидальная мощность, при которой громкоговоритель должен проработать в течение 1 часа с реальным музыкальным сигналом без получения физических повреждений (ср. максимальная синусоидальная мощность).

Дополнительные характеристики громкоговорителей

Номинальное электрическое сопротивление – входное частотно-зависимое (комплексное) сопротивление громкоговорителя. В случае низкоомного согласования (в реальных акустических системах (АС)) оно имеет значение 4/8Ом. В случае высоковольтного трансформаторного согласования – от сотен Ом, до нескольких кило-Ом.

Эффективно воспроизводимый диапазон частот – диапазон частот, в пределах которого уровень звукового давления понижается на некоторое заданное значение по отношению к уровню, усредненному в определенной полосе частот. По рекомендациям МЭК 581-7 для полосы частот 50...12500 Гц величина данного уменьшения (спада) устанавливается равной 8дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100...8000 Гц.

Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению – это графическая или численная зависимость уровня звукового давления от частоты сигнала, развиваемого громкоговорителем в определенной точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра при постоянном значении напряжения на выводах громкоговорителя. Более привычное название данной зависимости – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Неравномерность АЧХ звукового давления

Зависимость звукового давления от частоты изображается на диаграммах (в декартовой системе координат), называемых амплитудно-частотными характеристиками (термин АЧХ является наиболее привычным. В технической литературе данная зависимость называется частотной характеристикой звукового давления ЧХЗД) громкоговорителя.

Под неравномерностью АЧХ, следует понимать разность между максимальным Pmax (дБ) и минимальным Pmin (дБ), уровнями в эффективном (заявленном) частотном диапазоне.

В соответствии с ОСТ 4.383.001 неравномерность АЧХ в эффективном рабочем диапазоне частот не должна превышать:

  • 14 дБ для широкополосных головок (громкоговорителей);
  • 10 дБ - для среднечастотных.

По рекомендациям МЭК 581-7 для аппаратуры Hi-Fi качества неравномерность не должна превышать ± 4дБ в диапазоне 0,1-8кГц.

На рис.2 изображена АЧХ громкоговорителя с неравномерностью Δ (дБ), в диапазоне 0,2-7кГц, не более 5%.

Рис.2 - Неравномерность АЧХ в диапазоне 0,2-7кГц

Неравномерность АЧХ зависит от:

  • типа электромеханического преобразователя;
  • размеров излучателя;
  • конструктивного (акустического) оформления;
  • частотно зависимых входного электрического и механического импедансов,
и определяет качество громкоговорителя в целом.

Характеристика направленности громкоговорителя

Любой громкоговоритель излучает звуковую энергию не равномерно. Уровень звукового давления громкоговорителя существенно зависит от угла, на котором производится измерение. Наибольшее количество энергии громкоговоритель излучает вдоль рабочей оси. Рабочая ось, как правило, совпадает с геометрической осью громкоговорителя, проходящей через его рабочий центр (рабочий центр совпадает с геометрическим центром симметрии выходного отверстия громкоговорителя.). Зависимость звукового давления громкоговорителя от направления называется характеристикой направленности.

Характеристика направленности громкоговорителя (Rн) – зависимость звукового давления PΘ (дБ), развиваемого громкоговорителем, в точке свободного поля (на фиксированном расстоянии от рабочего центра, например, на 1м), от угла Θ между рабочей осью громкоговорителя и направлением на данную точку:

Графическое выражение Rн для различных углов и частот называют диаграммой направленности (ДН). Наиболее часто ДН представляют в полярных координатах, рис. 3.

Рис. 3 - Диаграмма направленности громкоговорителя ROXTON HP-10T на частоте 4кГц.

Звуковое давление на диаграмме указывается не в абсолютных, а в относительных величинах – децибелах (дБ).

 

4. Классификация громкоговорителей для систем оповещения

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

Рис. 4 - Классификация громкоговорителей для систем оповещения

  • по способу излучения (согласования со средой);
  • по способу подключения (к усилителю);
  • по характеристикам;
  • по области применения;
  • по конструктивному исполнению;
  • по типу преобразователя.

 

По способу излучения громкоговорители можно разделить на:

  • громкоговорители (головки) прямого излучения;
  • рупорные громкоговорители.

Громкоговорители прямого излучения излучают звуковую энергию непосредственно в среду. Работа громкоговорителя прямого излучения будет рассмотрена ниже. В рупорных громкоговорителях диафрагма связана со средой непосредственно через рупор. Работа рупорного громкоговорителя будет рассмотрена ниже.

 

По способу подключения громкоговорители можно разделить на:

  • низкоомные;
  • трансформаторные.

При низкоомном согласовании громкоговоритель подключается непосредственно к выходному каскаду усилителя мощности (УМ). Трансформаторное согласование предполагает использование специализированного трансформаторного громкоговорителя, подключаемого к выходу трансляционного усилителя, снабженного дополнительным повышающим трансформатором. Более подробно данные способы согласования буду рассмотрены ниже.

 

По частотному диапазону (по ширине АЧХ) громкоговорители можно разделить на:

  • низкочастотные (НЧ): 40-200Гц;
  • среднечастотные (СЧ): 200-3кГц;
  • высокочастотные ВЧ) 3-20кГц.

На практике удобно делить по принципу "да/нет", "плохой/хороший". Так, в зависимости от ширины АЧХ громкоговорители можно разделить на узкополосные и широкополосные. Узкополосным можно назвать громкоговоритель, работающий в ограниченном диапазоне частот. Так, например, рупорный громкоговоритель можно назвать узкополосным; его эффективный диапазон частот находится в пределах СЧ ~0,3-3кГц (по существующей НД громкоговорители должны воспроизводить нормально слышимые частоты в диапазоне от 0,2 до 5кГц). Громкоговоритель, одинаково хорошо работающий в НЧ, СЧ и ВЧ диапазонах. будем называть широкополосным. В системах оповещения применяются оба типа громкоговорителей. Широкополосным можно считать громкоговоритель, охватывающий (даже частично) все 3 диапазона. Широкополосные громкоговорители находят широкое применение и используются для воспроизведения не только речевой, но и музыкальной информации.

Для того, что бы классифицировать громкоговорители в зависимости от направленности, необходимо ввести дополнительную, но очень важную и применяемую на практике характеристику – ширину диаграммы направленности ШДН.

ШДН – дополнительная характеристика, определяемая из полярных ДН громкоговорителя. Согласно международному стандарту IEC 268-5(2000г.), ШДН можно определить как угол раскрыва (отклонения от рабочей оси) громкоговорителя (ср. coverage angle), при котором звуковое давление спадает на 6дБ (beam width -6dB) относительно значения измеренного на рабочей оси.

Узконаправленными будем называть громкоговорители, ШДН которых на частоте 4кГц менее 90 градусов, широко-направленными – громкоговорители, ШДН которых на частоте 4кГц более 90 градусов. Более подробно данные типы обсуждались во введении.

 

В зависимости от конструктивного исполнения громкоговорители можно разделить на:

  • врезные (в плоском экране);
  • накладные (открытый ящик);
  • корпусные (закрытый ящик);
  • фазоинверторные (акустические системы).

Врезные громкоговорители могут иметь и открытый тип (без экрана), так как экраном для них является сама поверхность (стена, потолок), в которую они встраиваются. Громкоговорители накладного типа из экономических соображений можно реализовать в открытом ящике, задней стенкой которого становится плоскость (стена), на которую он монтируется. Более подробно данные вопросы будут рассмотрены ниже.

По типу преобразователя громкоговорители можно разделить на:

  • электродинамические (катушечные);
  • электростатические (электретные);
  • электромагнитные (с неподвижной катушкой);
  • пьезоэлектрические (ленточные).

На сегодняшний день наибольшее распространение получили электродинамические катушечные громкоговорители. Электродинамический катушечный преобразователь можно рассматривать как электромеханическую подсистему, преобразующую электрический сигнал на входе, в механические колебания подвижного элемента на выходе. Данный громкоговоритель состоит из двух основных подсистем: подвижной – звуковой катушки и диффузора и магнитной – постоянного магнита, керна, верхнего и нижнего сланцев. Рассмотрим работу данной системы.

Классификация громкоговорителей по области применения

В системах оповещения громкоговорители имеют самую широкую область применения: от тихих и закрытых помещений до шумных открытых площадок, от речевых объявлений до качественного музыкального оформления.

В зависимости от области применения громкоговорители можно разбить на 3 основных группы:

  1. Громкоговорители внутреннего исполнения – используются для озвучивания закрытых помещений. Для данной группы громкоговорителей характерна невысокая степень защиты (IP-41).
  2. Громкоговорители внешнего исполнения – используются для озвучивания открытых площадок. Такие громкоговорители называют уличными. Для данной группы громкоговорителей характерна более высокая степень защиты (IP-54).
  3. Громкоговорители взрывозащищенного исполнения – применяются во взрывоопасных помещениях или территориях с повышенным содержанием агрессивных (взрывоопасных) веществ. Для данной группы громкоговорителей характерна высокая степень защиты (IP-67). Такие громкоговорители применяются в нефтяной, газовой промышленности, на атомных станциях и т.д.

Каждой из групп можно сопоставить соответствующий класс (степень) защиты IP. Под степенью защиты понимается способ, ограничивающий доступ к опасным токоведущим и механическим частям, попадание твердых предметов и/или воды внутрь оболочки.

Маркировка степени защиты оболочки электрооборудования осуществляется при помощи международного знака защиты IP и двух цифр, первая из которых означает защиту от попадания твердых предметов, вторая — от проникновения воды.

Наиболее распространенными для громкоговорителей являются следующие степени защиты:

  • IP-41, где:
    • 4 – Защита от посторонних предметов размером более 1 мм.
    • 1 – Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства. Громкоговорители такого класса чаще всего устанавливаются в закрытых помещениях.
  • IP-54, где:
    • 5 – Пылезащита, при которой некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако не нарушает работу устройства.
    • 4 – Защита от брызг, падающих в любом направлении. Громкоговорители такого класса чаще всего устанавливаются на открытых площадках.
  • IP-67, где:
    • 6 – Пыленепроницаемость, при которой пыль не может попасть в устройство, полная защита от контакта.
    • 7 – При кратковременном погружении вода не попадает внутрь в количествах, нарушающих работу устройства. Громкоговорители данного класса устанавливаются в местах, подверженных критическим воздействиям. Существуют и более высокие степени защиты.

 

5. Работа громкоговорителей

Работа электродинамического громкоговорителя

На рис.5 изображено устройство диффузорного громкоговорителя прямого излучения с преобразователем электродинамического катушечного типа.

Рис.5 - Устройство электродинамического громкоговорителя

Основным рабочим узлом электродинамического громкоговорителя является диффузор, который осуществляет преобразование механических колебаний в акустические. Диффузор громкоговорителя приводится в движение силой, действующей на жестко скрепленную с ним катушку, находящуюся в радиальном магнитном поле. В катушке течет переменный ток, соответствующий аудио-сигналу, который должен воспроизвести громкоговоритель. Магнитное поле в громкоговорителе создается кольцевым постоянным магнитом и магнитной цепью из двух фланцев и керна. Катушка под действием электродвижущей силы свободно движется в пределах кольцевого зазора между керном и верхним фланцем, а ее колебания передаются диффузору, который, в свою очередь, создает акустические колебания, распространяющиеся в воздушной среде.

Электродинамические громкоговорители имеют хорошие характеристики, широкую диаграмму направленности, широкий частотный диапазон, приемлемый уровень звукового давления, что позволяет применять их для решения самого широкого класса задач – от музыкальной трансляции до аварийного оповещения. Данные громкоговорители чаще всего используются для внутреннего монтажа в закрытых отапливаемых помещениях.

Работа рупорного громкоговорителя

Рупорный громкоговоритель (рупор) является согласующим элементом между драйвером (излучателем) и окружающей средой. Драйвер, жестко связанный с рупором, преобразует электрический сигнал в звуковую энергию, поступающую и усиливаемую в рупоре. Усиление звуковой энергии внутри рупора осуществляется за счет специальной геометрической формы, обеспечивающей высокую концентрацию звуковой энергии. Использование в конструкции дополнительного концентрического канала позволяет существенно уменьшить размеры рупора при сохранении качественных характеристик.

Рупор состоит из следующих частей, рис.6.

Рис. 6 - Устройство рупорного громкоговорителя

  • а – компрессионный драйвер;
  • б – магнит;
  • в – концентрический канал;
  • г – рупор;
  • д – металлическая диафрагма;
  • е – звуковая катушка.

Рупорный громкоговоритель работает следующим образом: электрический звуковой сигнал поступает на вход компрессионного драйвера (а), преобразующего его в акустический сигнал на выходе. Драйвер жестко скреплен с рупором (г), обеспечивающим высокое звуковое давление (рупор может иметь следующие варианты названия: мегафон, горн, репродуктор, рефлектор, труба). Драйвер состоит из жесткой металлической диафрагмы (а), приводимой в движение (возбуждаемой) звуковой катушкой (е) намотанной на цилиндрический (или кольцевой) магнит (б). Звук в данной системе распространяется от драйвера, проходя через концентрический канал (в), экспоненциально усиливается в рупоре (г), после чего поступает на выход.

 

6. Основные типы акустического оформления громкоговорителей

Для повышения эффективности громкоговорители снабжаются корпусами. По типу акустического оформления корпуса, громкоговорители можно разделить, рис.7 на:

  • громкоговорители в плоском экране, рис.7а;
  • громкоговорители в открытом корпусе, рис.7б;
  • громкоговорители в закрытом корпусе, рис.7в;
  • громкоговорители с фазоинвертором, рис.7г.

Рис. 7 - Типы акустического оформления громкоговорителей

Плоский экран позволяет исключить дифракцию излучаемой волны вокруг излучателя. Для того, что бы громкоговоритель был эффективным, размеры плоского экрана должны быть соизмеримы с диной волны: l > λ/4, где λ – длина волны нижней границы частотного диапазона. Так для fн=100Гц, l > v/4fн =340/400=0,85м. Экран размером 80см слишком велик, поэтому на практике наибольшее применение находит оформление открытый корпус (можно рассматривать как не плоский экран), также препятствующий дифракции (огибанию) звука.

Вариант акустического оформления типа "закрытый ящик" рассмотрим на примере широко распространенного типа трансляционных громкоговорителей – звуковой колонны.

Устройство звуковой колонны

Звуковая колонна широко используется в системах звуковой трансляции. В зависимости от класса защиты, звуковая колонна может использоваться для озвучивания как внутренних помещений, так и открытых площадок. Звуковая колонна представляет собой закрытый ящик (бокс), с размещенной внутри группой размещенных по вертикали головок (динамиков), рис.8.

Рис. 8 - Устройство звуковой колонны трансформаторного типа

Динамики в звуковой колонне располагаются внутри корпуса друг над другом, соединяются параллельно и подключаются к выходной обмотке понижающего трансформатора. Звуковая колонна относится к типу т.н. “линейных групповых излучателей”, имеющих благоприятную ДН – узкую в вертикальной плоскости и широкую в горизонтальной. Корпусное исполнение повышает эффективность в области низких частот. Обострение ДН в вертикальной плоскости происходит из-за интерференции сигналов от каждого динамика. При конструировании звуковой колонны очень важно обеспечить идентичность характеристик динамиков, устанавливаемых в одном корпусе и их синфазность.

Фазоинверторный громкоговоритель

Закрытый корпус является очень эффективным решением, но в результате избыточной плотности звукового давления внутри корпуса возникают стоячие волны, вызывающие резонансные эффекты, образуя пики и провалы при воспроизведении. Минимизировать данный эффект можно при помощи фазоинвертора, устраняющего избыточное давление внутри корпуса. Известно, что хорошее воспроизведение НЧ может быть обеспечено не только массой громкоговорителя, но и объемом корпуса. Фазоинвертор представляет собой канал (отверстие или трубу) в стенке закрытого ящика и позволяет минимизировать объем корпуса при сохранении равномерности АЧХ в области НЧ. Фазоинвертор выполняет роль резонатора, рассматриваемого как второй громкоговоритель. Параметры отверстия фазоинвертора подбирают таким образом, чтобы сбалансировать резонансные эффекты на определенных частотах и минимизировать возможные провалы в частотной характеристике. Громкоговорители фазоинверторного типа называют акустическими системами (АС). Внешний вид АС показан на рис.9.

Рис. 9 - Внешний вид акустической системы Audiocenter PF12

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

Высокое качество звучания АС обеспечивается:

  • созданием объемного, конструктивно продуманного корпуса;
  • применением фазоинвертора;
  • многополосным исполнением.

Многополосное исполнение предполагает применение нескольких громкоговорителей в одном корпусе, требующую, в свою очередь, применения разделительного фильтра. В АС разрешается основное противоречие, обусловленное физическими принципами – высокая эффективность на ВЧ может быть достигнута использованием маленьких по объему громкоговорителей (ВЧ-драйверов, ВЧ-драйвер – диафрагма, помещенная в магнит (называемая твиттером) и соединенная с рупором, является эффективным излучателем на ВЧ); для воспроизведения НЧ необходим массивный и объемный громкоговоритель (вуфер), устанавливаемый в свою очередь в объемный корпус.

Пример реализации бюджетных широкополосных громкоговорителей

Существует несколько способов повышения эффективности громкоговорителя при сохранении его стоимости.

Построение двухконусной системы, рис.10.

Рис.10 - Широкополосный двухконусный потолочный громкоговоритель ROXTON PA-620T

Двухконусная система состоит из основного (большого) конуса, роль которого выполняет диффузор и дополнительного (малого) конуса – маленького рупора, жестко скрепленного с диффузором. Концентрическое расположение данных конусов позволяет обеспечить высокую эффективность в широком диапазоне и хорошую равномерность на средних частотах.

Повышения равномерности звучания в широком частотном диапазоне можно добиться построением многополосной АС. В многополосных системах для получения напряжения на нужной частоте используются разделительные фильтры (фильтр рассчитывается для определенной частоты, за пределами которой обеспечивается нужная крутизна затухания. Фильтр первого порядка содержит 1 элемент и обеспечивает затухание с крутизной 6дБ/октаву; фильтр второго порядка содержит 2 элемента и обеспечивает затухание с крутизной 12дБ/октаву).

На рис.11 изображен пример реализации бюджетной двухполосной АС.

Рис.11 - Двухполосная потолочная АС ROXTON PA-20T

В данном громкоговорителе применен разделительный фильтр первого порядка. ВЧ-головка (драйвер) громкоговорителя расположена на шаровом шарнире, что позволяет варьировать диаграммой направленности на ВЧ. Удобные поворотные крепления обеспечивают легкость и удобство монтажа.

Еще одним важным преимуществом многополосных АС является обеспечение постоянства характеристики направленности (ХН) в широком диапазоне частот, что существенно упрощает электроакустический расчет.

Пример классификации громкоговорителей по конструктивному исполнению на примере ROXTON см. в статье "Громкоговорители ROXTON: классификация".

 

7. Трансформаторные громкоговорители

Трансформаторные громкоговорители – громкоговорители со встроенным трансформатором, являющиеся конечными исполнительными элементами в проводных трансляционных системах, на базе которых строятся системы оповещения о пожаре, локальные системы оповещения, системы громкоговорящей связи. В таких системах реализован принцип трансформаторного согласования, при котором отдельный громкоговоритель или линия с несколькими громкоговорителями подключается к высоковольтному выходу трансляционного усилителя. Передача сигнала в высоковольтной линии позволяет сохранять величину передаваемой мощности за счет уменьшения токовой составляющей, тем самым минимизировать потери на проводах. В трансформаторном громкоговорителе осуществляется 2 этапа преобразования. На первом этапе при помощи трансформатора происходит понижение напряжения высоковольтного звукового электрического сигнала, на втором – осуществляется преобразование электрического сигнала в слышимый акустический звуковой сигнал.

На рис.12 изображена задняя часть корпусного настенного трансформаторного громкоговорителя. Трансформаторный громкоговоритель состоит из следующих частей:

Рис.12 - Устройство трансформаторного громкоговорителя

Корпус громкоговорителя в зависимости от области применения может быть выполнен из различных материалов, наиболее широким из которых на сегодняшний день является АВS пластик. Корпус необходим для удобства монтажа громкоговорителя, предохранения токоведущих частей от попадания пыли и влаги, улучшения акустических характеристик, формирования необходимой диаграммы направленности (ШДН).

Понижающий трансформатор предназначен для понижения высокого напряжения входной линии до рабочего напряжения электродинамического преобразователя (динамика). Первичная обмотка трансформатора может содержать несколько отводов (например, полная мощность, 2/3 мощности, 1/3 мощности), что позволяет варьировать выходной мощностью. Отводы маркируются и подключаются к клеммным колодкам. Таким образом каждый такой отвод обладает своим импедансом (r, Щ) – реактивным сопротивлением (первичной обмотки трансформатора), зависящим от частоты.

Клеммная колодка обеспечивает удобство подключения трансляционной линии к различным отводам первичной обмотки трансформаторного громкоговорителя.

Динамик – устройство для преобразования электрического сигнала в звуковой (слышимый) акустический сигнал. Подключается ко вторичной обмотке понижающего трансформатора. В рупорном громкоговорителе роль динамика выполняет драйвер, жестко скрепленный с рупором.

 

8. Подключение громкоговорителей к системе звукоусиления

Существует два основных способа согласования громкоговорителей с системой звукоусиления:

  • низкоомное;
  • трансформаторное.

Низкоомное согласование

При "низкоомном" согласовании, громкоговорители подключаются непосредственно к выходному каскаду УМ. В зависимости от реализации усилителя существует множество различных включений.

На рис. 13 показан вариант включения низкоомного 4/8Ом громкоговорителя в коллекторную цепь выходного транзистора.

Рис.13 - Включение "низкоомного" громкоговорителя в коллекторную цепь транзистора

Подключение низкоомных громкоговорителей

По государственному стандарту (ГОСТ Р 53575-2009 (МЭК 60268-5:2003). Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний), громкоговорители могут иметь два стандартных значения “импедансов” – 4 и 8 ом, на которые и рассчитаны низкоомные выходы УМЗЧ.

При "низкоомном" согласовании нагрузки с выходом УМ необходимо обеспечить 2 условия:

  • суммарный импеданс нескольких низкоомных громкоговорителей должен находиться в пределах – 4-8Ом;
  • суммарная мощность нагрузки (нескольких громкоговорителей) должна быть выше выходной мощности усилителя;
поэтому подключение нескольких “низкоомных” громкоговорителей к одному усилителю осуществляется только определенными способами:
  • последовательно;
  • параллельно;
  • последовательно-параллельно.

При последовательном соединении суммарный импеданс нагрузки Z складыватся из импедансов каждого из громкоговорителей:

При параллельном соединении суммарный импеданс нагрузки Z является суммой проводимостей (1/Zi) каждого громкоговорителя:

Исходя из того, что стандартных импедансов всего два (4/8Ом), в последовательном и параллельном соединении участвуют не более 2-х громкоговорителей. Суммарный импеданс при последовательном соединении двух громкоговорителей (7):

Суммарный импеданс при параллельном соединении двух громкоговорителей (8):

Соединение большего количества громкоговорителей осуществляется последовательно-параллельным соединением, рис.14.

Рис.14 - Варианты соединения низкоомных громкоговорителей

При нечетном количестве громкоговорителей, необходимо осуществлять последовательно-параллельное соединение, суммарный импеданс которого должен попасть в пределы 4-8Ом. Ожидаемую мощность, в этом случае можно получить только приближенно, аппроксимируя характеристики используемого усилителя для 4-х и для 8-ми омной нагрузки.

 

9. Трансформаторное согласование

Усилители, в состав которых входит согласующий трансформатор называются трансляционными, а громкоговорители, работающие с ними – трансформаторными.

Трансляционные системы, использующие данный принцип, очень эффективны для озвучивания больших (распределенных) территорий.

Принцип трансформаторного согласования позволяет:

  • минимизировать потери на проводах;
  • увеличить дальность передачи (трансляции) сигнала;
  • обеспечить хорошее согласование (гальваническую развязку) усилителя с длинной линией нагруженной громкоговорителями;
  • защитить выходные каскады усилителя от паразитных наводок.

Трансформаторное согласование имеет еще одно важное преимущество, оно позволяет реализовывать практически любые топологии – шина, звезда, дерево, не меняя при этом, принципов проектирования. К основным принципам проектирования трансляционных систем можно отнести следующие:

  • громкоговорители к системе звукоусиления подключаются только параллельно;
  • суммарная мощность нагрузки усилителя складывается из мощности отдельного громкоговорителя;
  • максимальная мощность усилителя должна превышать суммарную мощность нагрузки более чем в 1,25 раз;
  • трансформаторные громкоговорители желательно подключать только к специализированным снабженным выходным трансформатором (трансляционным) усилителям.

Трансляционная система

Трансляционную систему оповещения можно рассматривать в рамках системы трехэтапного преобразования включающую:

  • источник;
  • полный усилитель;
  • громкоговоритель, рис.15.

Рис. 15 - Система звуковой трансляции

Низкоуровневый сигнал напряжением (1-10мВ) с микрофона поступает на вход трансляционного усилителя включающего:

  • предварительный усилитель (ПУ), осуществляющий усиление низкоуровневого (1-10мВ) звукового сигнала до уровня 0,7-1В;
  • усилителя мощности (УМ) осуществляющего дальнейшее усиление звукового сигнала;
  • согласующего трансформатора, повышающего напряжение усиленного звукового сигнала до напряжения 15-120В, в зависимости от используемого стандарта;
  • трансформаторного громкоговорителя – громкоговорителя с встроенным согласующим трансформатором.

Вариант согласования выхода УМ с трансформаторным громкоговорителем показан на рис.16.

Рис. 16 - Трансформаторное согласование УМ с громкоговорителем

Повышающий трансформатор на выходе усилителя предназначен для дополнительного повышения напряжения звукового сигнала с целью его оптимального согласования с линией громкоговорителей. Для реализации многовариантного управления, вторичная обмотка повышающего трансформатора снабжается несколькими отводами с различными напряжениями: Uном, 3/4Uном, 1/2Uном, 1/4Uном.

Трансформатор громкоговорителя понижает напряжение высоковольтного звукового до уровня:

Для реализации многовариантного управления, первичная обмотка согласующего трансформатора громкоговорителя, снабжается несколькими отводами с различными импедансами : Zном, 2/3Zном, 1/2Zном, 1/3Zном.

Мощность громкоговорителя, в зависимости от напряжения в линии, Uл, В и выбранного импеданса Zном (Ом):

Данная формула, следующая из закона Ома для участка цепи (J=U/R) и соотношения для нахождения мощности (P=J*U), очень широко используется на практике.

Из формулы (6) видно, что при неизменном импедансе громкоговорителя, уменьшение напряжения в линии в n раз (например, при переключении линии с клеммы U1 на клемму U2, рис. 16), приводит к уменьшению мощности громкоговорителя в n2 раз.

Трансформаторное подключение, кроме оптимального согласования имеет еще одно преимущество, заключающееся в легкости расчета общей нагрузки, как суммы мощностей всех громкоговорителей подключенных к трансляционному усилителю:

Практический пример

Система оповещения построена, к выходу усилителя подключены нагрузочные линии, суммарная мощность которых составляет 0,7...0,8 от мощности усилителя.

Вопрос: Можно ли увеличить величину нагрузки на существующий усилитель (подключить большее количество громкоговорителей)?

Ответ: Увеличить мощность нагрузки нельзя. Но, есть вариант. При переключении линии громкоговорителей с выходных клемм U1=100В усилителя на выходные клеммы U2=70В, мощность всей нагрузки (каждого громкоговорителя) снизится в 2 раза (ф-ла 6), что высвободит 50% мощности усилителя.

Основные топологии подключения трансформаторных громкоговорителей

В распределенных системах к одному усилителю может подключаться достаточно большое количество громкоговорителей, которые для удобства проектирования и управления разбиваются на группы – подключаются к отдельным линиям (шлейфам). Удобство проектирования и расчета связано с тем, что линии, к выходу усилителя можно подключать различными способами, являющимися аналогами параллельного подключения, при этом, суммарная нагрузка:

Варианты подключения линий громкоговорителей к трансляционному усилителю изображены на рис.17.

Рис. 17 - Способы подключения (согласования) высоковольтных линий, к выходу трансляционного усилителя

Примечание: В случае соединения (подключения) звездой желательно использовать коммутатор (релейный модуль), включенный в разрыв между выходом трансляционного усилителя и линиями громкоговорителей.

 

 

 

 

 

 

АНОНСЫ

Обновление ПО электроакустического расчета

Распродажа Inkel by Roxton со скидкой 50%

Модернизация ПО комбинированной системы ROXTON SX-480N

Рады сообщить вам о выпуске новой версии программного обеспечения комбинированной системы ROXTON SX-480N (1.2.0.40)

Новые возможности аудио-процессора ROXTON AP-8264