Автор: Фурдуев В.В.
Теги: электроника электротехника звуковоспроизведение кино звукотехника акустика
Год: 1945
Текст
В. В. ФУРДУЕВ
АКУСТИКА
ЗВУКОВОГО
КИНОПОКАЗА
ГОСКИНОИЗДАТ
МОСКВА • 1945
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемая книга охватывает комплекс вопросов приклад-
ной акустики, связанных с техникой звукового кинопоказа. Пер-
вую часть книги составляет описание устройства и действия
громкоговорящей аппаратуры, применяемой в звуковых кино-
театрах, то есть диффузорных и рупорных громкоговорителей
электродинамического типа. Ко второй части относится акустика
зрительного зала (включая сюда и технику изоляции зала от по-
сторонних шумов).
Автор ставил перед собою задачу: разъяснить возможно более
подробно физическую сущность тех акустических явлений, с кото-
рыми мы встречаемся в звуковой кинопроекции. Несомненно, что
лишь отчетливое понимание физической сущности дела дает воз-
можность технику ориентироваться не только в тех вопросах, ко-
торые рассмотрены в книге, но и самостоятельно найти правиль-
ный ответ на разнообразные вопросы, которые может поставить
перед ним практика эксплоатации звуковых киноустановок. Основ-
ным признаком, на основании' которого выбирался материал кни-
ги, гбыло его техническое, прикладное значение.
Автор стремился к общедоступности изложения; математические
формулы, не выходящие за пределы элементарной алгебры, ис-
пользуются лишь для того, чтобы детальнее разъяснить то или
иное явлеииё и его зависимость от различных факторов, предо-
ставляя в то же время читателю возможность самостоятельно вы-
полнять несложные акустические расчеты. .
В книге сделана попытка упорядочить и уточнить терминологию,
относящуюся к громкоговорящей аппаратуре; как это нн странно,
одиако до настоящего времени не только в технической практике,
во и в литературе, одни и те же термины (например, мощность,
отдача, чувствительность) употребляются в самых разнообразных
смыслах.
Москва, март 1944 г.
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯХ
ТИПЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ
Громкоговоритель является конечным звеном электроакустиче-
ского тракта звуковой кинопроекционной установки. Его назначе-
ние заключается в преобразовании электрического тока звуковой
частоты в механические колебания диафрагмы, излучающей в
окружающее пространство звуковые волны. .
SB зависимости от способа преобразования электрических коле-
баний в механические различают следующие основные типы гром-
коговорителей:
1) электродинамические громкоговорители (сокращен-1
но — динамики), в которых колебания диафрагмы возбуждаются
силою, действующей на проводник с током в пространстве, окру-
жающем намагниченные тела;
2) электромагнитные громкоговорители, в которых
диафрагма приводится в колебательное движение силами, дей-
ствующими на железный якорь со стороны электромагнита, пи-
таемого переменным током звуковой частоты;
3) конденсаторные громкоговорители, в которых элек-
тромеханическое преобразование осуществляется силами взаимного
притяжения обкладок конденсатора, заряжаемого переменным на-
пряжением звуковой частоты; одна из обкладок конденсатора
обычно является излучающей внук диафрагмой;
4) пьсзсале-ктряческие тромЪвогавОрителИ, ® которых
для приведения диафрагмы в колебательное движение исполь-
зуется изгиб пластинок, вырезанных определенным образом из
кристалла сегнетовой соли и помещенных между проводящими
обкладками; к этим обкладкам подводится переменное напряже-
ние звуковой частоты, вызывающее изгиб пластинок *.
jB практике современной звуковой кинопроекции применяются
исключительно громкоговорители электродинамического типа; толь-
ко о них и будет итти речь в этой книге.
По способу излучения звука громкоговорители разделяются на
две группы.
К первой относятся громкоговорители с диафрагмой, излучаю-
щей звук непосредственно в окружающий воздух; так как,
* Изгиб (или вообще деформация того или иного вида) кристаллов под
действием электрического напряжения называется пьезоэлектрическим эффек-
том; отсюда и название громкоговорителей соответствующего типа. Сегнетова
соль обладает пьезоэлектрическими свойствами в особенно большой степени.
5
такую диафрагму обычно называют диффузором, то громко-
говорители этой группы можно называть диффузорными. Ко
второй группе относятся рупорные громкоговорители, в кото-
рых диафрагма излучает звук через рупор, чаще всего экспонен-
циальный.
В технике звуковой проекции применяются как диффузорные,
так и рупорные громкоговорители; в последнее время рупорные
громкоговорители, как более совершенные, применяются шее шире
и шире во всех тех случаях, когда громкоговорящее устройство
.не ограничено по габариту (как, например, -в передвижных' уста-
новках).
Громкоговорители того или иного типа различаются между со-
бой по целому ряду количественных и качественных показателей.
Главнейшими из них являются: номинальная мощность, отдача
или чувствительность, полоса передаваемых частот, частотные
искажения в этой полосе, амплитудные искажения и направлен-
ность.
НОМИНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ
Номинальной мощностью громкоговорителя называет-
ся та мощность переменного тока, которую ои способен длительно
выдерживать без тепловой и механической перегрузки. Нужно,
однако, помнить, что в условиях практической работы громкого-
ворителя электрическая мощность подводится к нему не в виде
обычного (синусоидального) переменного тока, а в виде тока
очень сложной формы, изображающего своими изменениями ход
акустического процесса, воспроизводимого со звуковой дорожки
кинофильма. Поэтому в отдельные (правда, очень коротиие) от-
резки времени подводимая к громкоговорителю мощность может
быть значительно выше номинальной. Заметим, что наибольшая
мгновенная мощность тока звуковой частоты называется пико-
вой мощностью; в условиях звуковой .кинопроекции пиковая
мощность может раз в сто превышать с р е днюю мощность, ко
торую и имеют в виду, когда говорят о номинальной мощности
громкоговорителя *. При испытании громкоговоритель должен в
течение 20—30 минут выдерживать без повреждений номинальную
мощность, подводимую к нему в форме 50-периодиого перемен-
ного тока.
ОТДАЧА И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Под отдачей (или коэффициентом полезного дей-
ствия) громкоговорителя принято понимать отношение излучае-
мой акустической мощности (Р„) к подводимой электрической (Р):
К.
Эта величина, показывающая, какую долю подводимой к громко-
говорителю электрической мощности он превращает в мощность
* Среднюю мощность можно определить делением общего количества
^подведенной энергии на время, о течение которого эга энергия подводилась
6
звуковую, характеризует эффективность электроакустического пре-
образования. ' Однако измерение ' этой величины очень затрудни-
тельно и требует специальной обстановки и аппаратуры, ие всегда
имеющейся в распоряжении даже крупных исследовательских ла-
бораторий. Поэтому об эффективности громкоговорителя обычно
судят на основании других величин, легче поддающихся измере-
нию.
В качестве одной из таких величин обычно .выбирают так
называемую чувствительность; оиа определяется как отно-
шение звукового давления (р) в некоторой точке неограниченного
звукового поля к напряжению (V) иа клеммах громкоговорителя:
- Е--5-
и-
Чувствительность громкоговорителя измеряется в барах * на
вольт.
Так как создаваемое громкоговорителем звуковое давление за-
висит от расстояния выбранной точки и от ее ориентации отно-
сительно. громкоговорителя, то при определении чувствительности
необходимо условиться о выборе точки наблюдения; ее выбирают
обычно иа оси громкоговорителя на расстоянии 1 м от него.
Нетрудно понять, что величина чувствительности определяет
эффективность электромеханического преобразования вовсе ие
однозначно. В самом деле, подводимая к громкоговорителю
электрическая мощность (Р) зависит от напряжения (V) и от со-
противления (Z) громкоговорителя; как известно из электротех-
ники,
Предположим, что два громкоговорителя с различным сопротив-
лением обладают одинаковой чувствительностью; это означает,
что при одинаковом давлении, создаваемом ими в точке наблюде-
ния, одинаково и напряжение на клеммах обоих громкоговори-
телей.
Однако, как видно из ьоследией формулы, потребляемая
громкоговорителями электрическая мощность различна: громкого-
воритель с большим сопротивлением потребляет меньшую мощ-
ность и, следовательно, работает эффективнее. Таким образом
нельзя сравнивать по чувствительности громкоговорители с раз-
личным сопротивлением.
Сравнение оказывается, однако, возможным, если мы будем
брать отношение звукового давления (р) не к напряжению иа
клеммах (17), а к квадратному корню из подводимой электриче-
ской мощности '
• Бэр есть единица избыточного (звукового) давления, создаваемого вву-
ковои волной в упругой среде; так как это давление, даже при громких звуках,
9?^* невелико, то для его измерения берется достаточно малая единица: 1 бар
•' л?) М') составляет примерно миллионную долю атмосферы (точнее, 1/981000
7
Тогда получим величину, характеризующую эффективность элек-
тромеханического преобразования гораздо лучше, нежели чувстви-
тельность:
£абс = ~7= = Ey/Z.
0 1/Р и
Величина Еабс называется абсолютной чувствитель-
ностью; как видно из формулы, она измеряется в брр! у вт;
эти единицы принято называть единицами Гартмана.
Вводя -величину абсолютной чувствительности, мы получаеи
возможность сравнивать между собою громкоговорители различ-
ных типов.
ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
Как отдача, так и чувствительность (относительная и абсолют-
ная) громкоговорителя обычно сильно зависят от частоты. В этом
и заключаются частотные искажения, вносимые громко-
говорителем в передачу звука. Поэтому для суждения о качестве
громкоговорителя недостаточно знать его чувствительность при
какой-либо одной частоте; нужно зиать целый ряд значений чув-
ствительности при различных частотах рабочей полосы. Наиболее
полное представление мы получаем из частотной характе-
ристики громкоговорителя; эта характеристика представляет
собою графическое изображение зависимости чувствительности
(относительной или абсолютной) от частоты. Образец частотной
характеристики дан на рис. 1; при ее рассмотрении необходимо
иметь в виду, что значения чувствительности даны на графике
в децибелах (цифры, отложенные по вертикальной оси, указывают,
на сколько децибелов чувствительность при той или иной частоте
превышает некоторое значение, произвольно выбираемое за услов-
ный нуль *).
Частотные искажения в определенной полосе частот будут тем
меньше, чем ровнее характеристика. Предположим, что мы хотим
знать'искажения в пределах полосы частот от 100 до 4 000 гц для
конусного громкоговорителя, характеристика которого представ-
лена на рис. 1. Для этой цели мы прежде всего определяем
•среднюю чувствительность (Еср); она определяется как вы-
сота прямоугольника (обведенного утолщенными линиями), равно-
великого .заштрихованной части** частотной характеристики (от
нижней границы выбранной полосы до верхней). Теперь можно
определить частотные искажения двумя числами: первое из'-них
I багр)
* Если Е9 есть некоторое значение чувствительности (напримерt
условно принимаемое за нулевую точку графика, го цифры, откладываемые по
вертикальной оси, вычисляются по формуле: 201g —О шкале децибелов см.
добавление I.
♦* Так как заштрихованная площадь измеряется посредством специально-
го прибора, называемого планиметром, то величину ЕСр принято называть
средней планиметрической чувствительностью. '
(Ai) указывает, на сколько децибелов максимальная (ц данной по-
носе) чувствительность превышает среднюю, второе число
(Nz) указывает, на сколько децибелов минимальная чувствитепь-
Рис. 1. К определению средней чувствительности
и частотных искажений
ность лежит ниже средней (в примере, представленном на рис. 1,
частотные искажения в полосе 100—4 000 герц составляют:
Ai=3,2 дб, N2——2.8 дб*}.
АМПЛИТУДНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
Величина амплитудных искажений определяется зна-
чением клирфактора (см. добавление 2). КлирфАктор громг
коговорителя измеряется при номинальной мощности на различ-
ных частотах рабочего диапазона.
Измеренные значения наносятся на график, представляющий
собой Частотную характеристику клирфактора при номинальной
мощности (образец см. на рис. 18).
При ' испытаниях громкоговорителя на клнрфактор нужно, од-
нако, иметь в виду, что в условиях воспроизведения речи и му-
зыки подводимая мощность распределена по различным областям
частот вовсе не равномерно: наибольшие пиковые мощности при-
ходятся на область от 250 до 500 гц для симфонической музыки
и на область от 500 до 1 000 гц для речи. На области нижних
и верхних частот приходится относительно очень небольшая доля
общей пиковой мощности. Поэтому не следует требовать от гром-
коговорителя, чтобы он имел одинаково малый клнрфактор вс
* Пусть Етах и Emin — максимальная и минимальная чувствительности
в заданной полосе частот, тогда частотные ^искажения в пределах этой по-
лосы определяются формулами:
+ N1 = 20 lg~-; - N2 == 20 lg^£
©
леем частотном диапазоне. В частности, в области низких частот
<50—100 гц) можно безопасно допускать при номинальной мощ-
ности клирфактор порядка 1Q—20% *-
НАПРАВЛЕННОСТЬ
Характеристика направленности громкоговорителя
показывает, как распределяется в 'окружающем пространстве
создаваемое громкоговорителем звуковое давление. Образец харак-
относятся, помимо генераторов звуковой частоты (от которых к
громкоговорителю подается синусоидальное напряжение с часто-
тою, меняющейся от 40 до 10 000 гц), измерительные усилители,
прокалиброванные для измерения звукового давления, и приборы
(мосты) для измерения клирфактора. В последнее время получили
широкое применение разнообразные автоматические и полуавто-
матические приборы, — так называемые характерографы, — с по-
мощью которых частотные характеристики получаются в течевие
нескольких мииут в виде готовой кривой на специальном частот-
Рис. 2. Характеристика направ-
ленности конусного громкогово-
рителя н щите
щей характеристику
герметики направленности ко-
нусного электродинамического
громкоговорителя в щите дан
на рис. 2. Диаграмма строит-
ся следующим образом: на
градусную сетку наносятся в
определенном масштабе зна-
чения звукового давления, из-
меренные и а одном и том
» ке расстоянии от гром-
коговорителя, но под раз-
личными углами к его
оси (направление этой оси
соответствует отметке 0°); по-
лученные точки соединяются
плавной кривой, представляю-
Давление определяется в
напр авленн-ости.
Рис. 3. Схема для субъективного испытания громкоговорителей
выбранном масштабе величиною радиуса, проведенного под дан-
ным углом из центра сетки до пересечения с характеристикой;
при этом за единицу принимается максимальное давление при
данной частоте. Пусть, например, нужно определить давление,
создаваемое при частоте 400 гц, под (углом в 20° К оси гро-мко-
говорителя; из диаграммы (см. рис. 2) мы видим, что радиус,
проведенный под этим углом, пересекает характеристику напра-
вленности в точке с отметкой 0,8. Это означает, что давление под
углом в 20° составляет 80% от максимального, получающегося в
данном случае .на оси громкоговорителя. Давление под угло^
в 60° составляет, как видно из той же характеристики, только
40% от максимального. Рассматривая на диаграмме вторую ха-
рактеристику, снятую при частоте 1 000 гц, мы обнаруживаем, что
осевое давление (0°) составляет в этом случае 70% от макси-
мального давления, которое создается в направлении, лежащем
под углом в 45° к оси.
ИЗМЕРЕНИЯ громкоговорителей
Измерения громкоговорителей (определение отдачи и чувстви
дельности в их зависимости от частоты, снятие частотных харак
теристик клирфактора и характеристик направленности) требую'
специальной аппаратуры и обстановки. К специальной аппаратур.
ном бланке. Специальная обстановка требуется для защиты изме-
рительного микрофона от шумов и — что всего труднее — от отра-
женных звуковых волн, доходящих до микрофона после одного
или нескольких отражений от стен, пола и потолка помещения.
Поэтому измерения должны производиться либо на -открытом воз-
духе (иа акустических полигонах, расположенных вдали от город-
ского шума, в открытой местности), либо же в звукомерных ка-
мерах, где стены, пол и потолок отделаны материалами, хорошо
поглощающими звук. Такие камеры имеются при лабораториях
заводов, производящих электроакустическую аппаратуру. Снятие
характеристик направленности должно выполняться только на
открытом (воздухе.
Так как измерения громкоговорителей могут быть выполнены
только в специальных лабораториях, то в повседневной эксплоата-
циоииой практике приходится довольствоваться лишь субъектив-
ным испытанием громкоговорителей. Испытание производится но
схеме рис. 3; граммофонная пластинка (музыка и пеиис) воспро-
изводится поочередно (с интервалом примерно в полминуты) че-
рез испытуемый громкоговоритель и громкоговоритель-образец,
в качестве которого берется вполне доброкачественный прибор
того же типа, что и испытуемый. При прослушивании лицо, про-
изводящее испытание, не должно тем или иным путем знать,
который из громкоговорителей работает, с тем чтобы производить
их сравнение только на слух.
* Отметим также» что чем более широкую полосу частот воспроизводи
электроакустический тракт, тем более строгие требования должны быт
предъявлены по отношению к допустимым амплитудным искажениям.
10
Глава II
КОНУСНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Если вблизи от магнита поместить проводник, по которому
протекает электрический ток, то на него действует сила, перпен-
дикулярная как к направлению магнитных силовых линий, так и
к направлению тока. Направление силы определяется так назы-
ваемым «правилом левой руки»: если три первых пальца левой
руки расставить под прямым углом друг к другу и направить .ука-
зательный палец по магнитным силовым линиям, а средний —
по току, то большой палец укажет направление действующей на
проводник силы. Эта сила называется э л»е к т р о д и н а м и ч е-
ской; поэтому громкоговорители, действие которых основано на
использовании таких сил, принято называть электродинамическими.
Чтобы понять устройство и действие конусного громкоговорителя,
представим себе 'магнит, одним полюсом (IV) которого является
центральный стержень (керн), а другим (S) — плоская круглая
пластина с отверстием, в которое входит конец керна так, что
между ними остается кольцеобразная щель; в этой щели распо-
ложен виток проволоки, по которому можно пропускать электри-
ческий ТОК. . , i
На- рис. 4 изображен продольный разрез такой системы; маг-
нитные силовые линии направлены по .радиусам, от керна к охва-
тывающей его конец пластине, ток же в витке направлен так,
что в верхней части схемы он идет за плоскость чертежа, а в
нижней—из-за плоскости чертежа. Перспективно изображенные
системы стрелок (справа от схемы) показывают применение пра-
вила левой руки. При этом обнаруживается, что ко всему витку
Приложена равномерно распределенная электродинамическая сила,
направленная вправо.
.При перемене направления тоиа в витке изменяется и напра-
вление электродинамической силы *. Таким образом, если . про-
пускать по витку переменный ток и предоставить витку возмож-
ность перемещения внутри щели в одну и в другую стороны, то
переменная электродинамическая сила заставит виток совершать
колебания с периодом переменного тока.
Описанная схема содержит все основные черты устройства
всякого электродинамического громкоговорителя. Обращаясь, в
* Этот же результат Получится, понятно* и при реремене полюсов маг-
нитной системы, то есть при перемене направления силовых линий.
12
частности, к конусному электродинамическому громкоговорителю,
рассмотрим его продольный разрез, представленный иа рис. 5.
Излучателем звука является бумажный ко.нус (диффузор) /,
усеченная вершина которого прочно склеена с цилиндрической бу-
мажной гильзой; иа которой в несколько слоев уложены витки
проволоки, образующие звуковую катушку 2. Конус, с ка-
тушкой подвешен следующим образом: во-первых, с помощью вы-
резной центрирующей шайбы 3 обеспечивается централь-
ное положение катушки внутри кольцеобразного зазора, причем
за счет податливости шайбы звуковая катушка имеет возможность
перемещаться в одну и другую сторону в направлении оси конуса;
Рис. 4. Принцип действия
электродинамического гром-
коговорителя
Рис. 5. Схема устройства
конусного электродинами-
ческого громкоговорителя
во-вторых, внешний край конуса несет гофрированное кольцо 4,
прижимаемое прокладкой 5 к ободу д иф ф узор од ер ж а-
теля 6. Магнитные силовые линии проходят в радиальных на-
правлениях между керном 9 и пластиной 7, называемой
передним фланцем магнитной системы. (Кери связывается
с передним фланцем скобой <9; магнитные силовые линии воз-
буждаются при пропускании постоянного тока через катушку
возбуждения 10, надетую на керн.
При подведении к звуковой катушке переменного тока от око-
нечного каскада усилителя на витки катушки, пронизываемые
магнитными линиями, действуют электродинамические силы, при-
водящие катушку в колебания; вместе с катушкой колеблется и
склеенный с нею конус, излучающий .в окружающее пространстве
звуковые волны.
Ояишем теперь более подробно отдельные детали конструкции.
13
1. Диффузор, которому придается коническая форма для
обеспечения достаточной жесткости, может быть изготовлен из
бумажной выкройки, имеющей форму круга с вырезанным секто-
ром (рис. 6,6). При изготовлении такой выкройки (например, прж
необходимости заменить поврежденный диффузор) определение ее
равмеров можно выполнить по следующим формулам:
.а ** . а
Sill - — Sill.-
^2 2
₽ -= 3G0°( 1 — sin = 360° (1-
Здесь: Dy—диаметр выкройки, D2— диаметр внутреннего круго-
вого выреза в ней, dy—диаметр диффузора, d2— диаметр зву-
ковой катушки, р — угол вырезаемого из выкройки сектора, а —
угол раскрытия конуса. Как показывает опыт, наилучшее качество
звуковоспроизведения получается тогда, когда угол раскрытия а
лежит в пределах от 90° до 110°; при больших углах конус ока-
зывается недостаточно жестким, при меньших углах — слишком
тяжелым. Для облегчения расчета выкройки диффузора приводится
таблица (стр. 15), в которой для различных углов раскрытия ко-
нуса приводятся углы вырезаемого из выкройки сектора ( р ),
отношение внешнего или внутреннего диаметра выкройки к со-
ответствующему размеру конуса i — ] и (для удобства опреде-
</,— (t ' d
ления угла а ) отношение---—- (рис. 6,п), определяющее при
заданном угле раскрытия осевую высоту (Л) конического диф-
фузора; цифры даны с незначительным округлением.
Конуса фабричных громкоговорителей изготовляются, как
правило, путем осаждения жидкой бумажной массы на специаль-
ные формы с последующей
просушкой; такие конуса
называются б е с ш о в н ы м и
или литыми. Помимо чи-
сто производственных преиму-
ществ этот способ хорош еще
и тем, что он дает возмож-
ность изменять в широких
пределах состав бумажной
массы, а вместе с тем и те
физические свойства материа-
Рис. 6. Выкройка конического ла диффузора, от которых
диффузора зависят его акустические ка-
чества: плотность, упругость,
внутреннее трение. При самостоятельном изготовлении диффу-
зора следует выбирать для выкройки не слишком жесткую бу-
магу с плотностью порядка 3—3,5 г/сЫ2 (типа полуватмана)
Внешнее (бумажное) кольцо, которым конус закрепляется п
ободе днффузородержателя, делается гофрированным, для ‘ того
’ггобы обеспечить свободную податливость подвижной системы в
14
осевок направлении. При литье бесшовных диффузоров это коль-
цо отливается вместе с конусом. Применявшиеся ранее замшевые
кольца в настоящее время могут быть допущены только при от-
а $ d d|—da h
so 105 1,414 2,00
92 101 1,391 2,07
94 97 1,368 2,14
96 92,5 1,345 2,22
98 88,5 1,324 2,30
100 84 1,305 2,38
102 80 1,287 2,47
104 76 1,269 2,56
106 72,5 1,252 2,66
108 69 1,236 2,75
НО i 65 1,221 2,86
сутствии возможности изготовить гофрированное бумажное
кольцо.
2. Ц е н т р и р у ю ща я шайба изготовляется из пертииакса,
гетинакса или текстолита; ее отогнутый бортик (со стороны вну-
треннею выреза) склеивается с гильзой звуковой катушки и ко-
Рис. 8. Центрирующая шай-
ба из гофрированной ткани
(с шайбодержателем)
рне. 7. Формы выполнения
центрирующих шайб
нусом. Шайба должна обладать значительной радиальной жестко-
стью и вместе с тем допускать достаточно свободное перемещение
катушки с конусом в осевом направлении; для этой цели шайба
снабжается фигурными вырезами, две формы которых изображе-
ны на рис. 7. Встречаются также и шайбы, отпрессованные в ви-
15
Рис. 9. К расчету маг-
нитной индукции в за-
зоре и мощности воз-
буждения электромаг-
нита
де диска с кольцевой гофрировкой из бакелизнрованной ткани
(рис. 8).
3. Звуковая катушка мотается медным проводом (ПЭ).
Для обеспечения достаточной жесткости каждый слой намотки
покрывается связывающим лаком (бакелитовым или целлюлозным).
Для того чтобы оба вывода катушки оказались лежащими с од-
ной стороны (именно со стороны диф-
фузора), число слоев намотки должно
быть обязательно четным. Выводы
катушки делаются гибким тонким про-
водником и подклеиваются кусочками
бумага к оборотной стороне конуса.
Подклейка или подшивка концов не-
обходима для предотвращения дребез-
жания, которое при колебаниях может
возникнуть от прикосновения провод-
ников к центрирующей шайбе, диффу-
зородержателю или переднему’ фланцу.
.4. Магнитная система пред-
ставляет собою электромагнит или по-
стоянный магнит; в последнем случае
для получения достаточной магнитной
индукции в рабочем зазоре применя-
ются специальные никель-алюминиевые
сплавы («альни»). Магнитопровод выполняется в форме стака-
на (рИс. 9) или скобы (см. рис. 5); скобообразмая форма
является более выгодной из-за меньшего рассеяния магнитных
силовых линий.
Иногда бывает необходимо ориентировочно определить вели-
чину магнитной индукции в рабочем зазоре громкоговорителя.
Для этой цели можно воспользоваться приближенной формулой:
Здесь: В — магнитная индукция (в гауссах); SM —сечение меди
в катушке возбуждения (в см2); I — ширина рабочего зазора
(в см); i — плотность тока в катушке возбуждения (в а]см2). Во
избежание недопустимого перегрева катушки плотность намагни-
чивающего тока не должна превышать 300—350 а/см2 (или 3—
3,5 а/мм2). Сечение меди S м может быть определено по размерам
в и Ь (см. рнс. 9) по формуле
— nab,
где к=в,6—0,65 есть так называемый коэффициент завели е-
и ия. Укажем еще формулу для расчета мощности, затрачиваемой
иа (возбуждение:
-р«з« —Р-»’ V ватт,
где: р — удельное сойротйвлеййе (в й • см; япя медного ировода
с учетом егд нагрева нужно брать р —0,0000021 Q • см); i — илвт-
16
ность тока {а!см2), V— объем меди в катушке возбуждения
(в см3); этот объем подсчитывается по формуле:
S „ • 2кг пр — ккаЬ(И -4- е),
где D — диаметр керна, а г ср — средний радиус намотки катушки
возбуждения (все линейные размеры должны быть выражены
в сантиметрах).
СОПРОТИВЛЕНИЕ
На рис. 10 изображена типичная частотная характеристика
электрического' сопротивления конусного электродинамического
громкоговорителя; сопротивление измерено на клеммах звуковой
катушки. Для того чтобы понять причины, по которым эта харак-
теристика имеет резкий подъем в области низких частот и, кроме
того, плавный подъем в сторону высоких частот, необходимо .бо-
лее подробно определить факторы, от которых зависит электриче-
ское сопротивление громкоговорителя.
Если мы сначала представим себе, что звуковая катушка з а-
торможена, то есть не может колебаться в рабочем зазоре,
то сопротивление громкоговорителя складывается только из двух
частей: так называемого омического сопротивления постоян-
ному току (R) и индуктивного сопротивления (2 k/'L ), обу-
словленного наличием протнвоэлектродвижугцей силы самоиндук-
ции (/—частота переменного тока, L—коэффициент самоиндукции
звуковой катушки). По известной формуле электротехники в этом
случае мы имели бы для 'сопротивления (Z) громкоговорителя фор-
мулу:
Отсюда становится попятной причина постепеяногб возрастания
сопротивления в области высоких частот: чем выше частота, тем
Рис. 10. Частотная характеристика сопротивления громко-
говорителя ГДД-6
еыстрее изменяется сила тока и тем больше противоэлектродви-
жущая сила самоиндукции.
Положение дела существенно меняется, если измерять сопро-
тивление громкоговорителя при свободно колеблющейся
2 В. В. Фурдуев г7
катушке. При этом в каждом витке катушки индуктируется про-
тивоэлектродвижущая сила, обусловленная тем, что витки движу-
щейся катушки пересекают магнитные силовые линии, пронизываю-
щие зазор. Эта противоэлектродвижущая сила тем больше, чем
быстрее движение катушки или, иначе, чем больше амплитуда ко-
лебаний. Но амплитуда вынужденных колебаний имеет наиболь-
шую величину на частоте резонанса подвижной системы.
По причинам, которые будут выяснены позднее, резонанс по-
движной системы конусного громкоговоритедя должен лежать в
области низких частот (на рис. 10 резонанс этот соответствует
частоте 90 гц).
Совершенно понятно, что на частоте резонанса противоэлектро-
движущая сила, обусловленная движением катушки, имеет наи-
большую величину; этим и объясняется резкое возрастание элек-
трического сопротивления на этой частоте (см. добавление 4). 4
Отметим еще, что на частоте, лежащей несколько выше меха-
нического резонанса (на рис. 10 около 250 гц), сопротивление
громкоговорителя имеет минимальную величину. Это объясняется
тем, что на этой частоте противоэлектродвижущая сила самоин-
дукции становится равной по амплитуде, но противоположной по
фазе той электродвижущей силе, которая индуктируется благо-
даря движению катушки; при этом обе электродвижущие силы
взаимно уничтожаются и сопротивление громкоговорителя стано-
вится равным R, то есть сопротивлению постоянному току.
Сопротивление (R) звуковой катушки делается обычно -неболь-
шим: у большинства промышленных образцов оно составляет
5—10 S.
ОТДАЧА И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Для того# чтобы выяснить вопрос о коэффициенте полезного
действия конусного громкоговорителя, нам придется начать с
определения излучаемой им акустической мощности. Если через
«о: обозначить а’мплитуду колебательной скорости конуса, а через
г—активное сопротивление излучения, то полезная акустическая
мощность громкоговорителя определяется формулой (см. добавле-
ние 3):
Ра = ~Ч?г-
Эта основная формула поможет разобраться в свойствах ко-
нусного громкоговорителя.
Очевидно, прежде всего, что частотная характеристика громко-
говорителя будет удовлетворять нашим требованиям в том случае,
когда на всех частотах рабочего диапазона он будет отдавать
во внешнее пространство одну и ту же акустическую мощность.
Досмотрим же, как зависят от частоты те величины, от которых
зависит эта мощность,. в первую очередь — сопротивление излу-
чения. На рис. 11 представлена теоретически вычисленная зави-
симость сопротивления излучения конуса диаметром в 25 см от
частоты при условии, что громкоговоритель работает в щите до-
статочно больших размеров. Кривая рис. 11 показывает, что в
области сравнительно невысоких частот (примерно до 500 гц) со-
противление излучения растет пропорционально квадрату часто-
18
ты». Если бы конус колебался на всех частотах с одной и той
же амплитудой скорости (vq), то его акустическая мощность росла
бы, так же как и сопротивление излучения (г), с квадратом частоты,
что вовсе нежелательно. Как показывает написанная выше фор-
мула, постоянство акустической мощности может быть обеспечено
только в том случае, если подвижная система громкоговорителя
(конус и звуковая катушка) поставлена в такие условия, при
которых амплитуда скорости (»о) обратно пропорциональна частоте;
при этом величина (г2о) будет убывать с квадратом частоты, тем
самым компенсируя соответствующее возрастание сопротивления
излучения.
Уменьшение и, с частотой имеет место тогда, когда инер-
циальное сопротивление колеблющейся 'массы (т) преобладает иад
всеми другими составляющими механического сопротивления, а для
этого должны быть соблюдены два условия (см. добавление 4):
1) собственная частота недвижной системы должна лежать
ниже рабочей области частот; при этом в рабочей области инер-
циальное сопротивление конуса ( 2 it fm ) будет значительно пре-
обладать над упругим сопротивлением крепежных деталей (шай-
бы и внешнего кольца);
2) сопротивление излучения г должно быть невелико по срав-
нению с инерциальным сопротивлением (2 it fm).
Нетрудно убедиться в том, что эти условия, гарантирующие
надлежащую частотную характеристику конусного громкоговори-
теля, складываются в высшей степени неблагоприятно с точки зре-
ния эффективности преобразования электрических колебаний в
звуковые. Действительно, система, эффективно излучающая звук,
должна обладать большим затуханием, обусловленным сопро-
тивлением излучения. Показатель затухания, обусловленного излу-
чением, равен (см. добавление 5):
Ь~~.
2т
Умножая показатель затухания па период колебания (или, что
то же самое, деля па частоту /), мы получим декремент за-
тухания вследствие излучения — величину, определяющую эф-
фективность излучения звука:
f Ут
' Мы видим, что найденная величина пропорциональна отноше-
нию сопротивления излучения (г) к инерциальному сопротивлению
подвижной системы .(2 к fm ); чем больше эта величина, тем эффек-
тивнее излучатель. Но, как мы только что видели, в интересах
частотной характеристики нужно, чтобы сопротивление излучения
было мало по сравнению с инерциальным сопротивлением массы,
а это условие необходимо связано с малой эффективностью зву
коизл учения.
» В этой области частот сопротивление излучения может быть подсчитано
по приближенной формуле г ~ .-2,22- где S — площадь основания
конуса.
2*
19
Мы выяснили те причины, в силу которых коэффициент полез-
ного действия конусного громкоговорителя очень невелик; в со-
временных образцах в акустическую мощность преобразуется не
более 1—2% электрической мощности, подводимой к громкогово-
рителю от оконечного каскада усилительного устройства. Осталь-
ная мощность рассеивается в форме тепла, выделяемого в про-
воднике подвижной катушки токами звуковой частоты. "
На рис. 12 показан примерный ход частотной характеристики
отдачи конусного громкоговорителя в области сравнительно низ-
Рис. 11. Сопротивле-
ние излучения конуса
диаметром 25 см при
раооте громкоговори-
теля в большом щите
Рис. 12. Примерный ход частотной'ха-
рактеристики отдачи конусного элек-
тродинамического громкоговорителя
ких частот (о поведении громкоговорителя в области средних н
высоких частот будет сказано ниже).
Мы видим, что в области, лежащей выше частоты механиче-
ского резонанса, отдача сохраняет бол'ее или менее постоянную
рел'ич'ииу, однако достаточно малую. Это как раз и является
результатом того, что отдача принесена в жертву частотной ха-
рактеристике.
На частоте резонанса отдача резко возрастает -за счфг того
обстоятельства, что то мере приближения к резонансу инерциаль-
ное и упругое сопротивления все в большей и большей степени
компенсируют друг друга; вследствие этого очень небольшие пе-
ременные токи вызывают колебания конуса довольно значитель-
ной амплитуды.
В топ области частот, где отдача сохраняет более или менее
постоянную величину, коэффициент полезного действия может
быть рассчитан по следующей формуле^
к.п.д.
1Ч-18-1016—t
В этой формуле р — удельное сопротивление проводника звукеют
катушки (для медного провода нужно брать р= 0,00000175 S -см)
v — объем проводника (в см3), in — масса подвижной системы
(в г), S—площадь основан-Гя конуса (в си2), В — магнитная
индукция в рабочем зазоре (в гауссах). Роль этой последней
величины видна из формулы: чем больше магнитная индукция,
тем выше отдача. Это и понятно: с возрастанием магнитной
индукции растет электродинамическая сила, действующая в зазоре
на витки звуковой катушки.
Отметим, однако, что возможность повышения -индукции огра-
ничена магнитным насыщением стали, из которой изготовляется
мапнитопровод, если керн изготовлен из нормальной стали (Ст-2,
Ст-3), то затруднительно получить ® зазоре индукцию свыше
12 000—14 000 гауссов.
Абсолютная чувствительность промышленных образцов конус-
ных электродинамических громкоговорителей лежит в пределах
от 3 до 5 бар/ в<г (на расстоянии 1 л<); для громкоговорителей
с сопротивлением звуковой катушки около 10J/11 это соответствует
чувствительности порядка _1—2 бар/в.
ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
Переходя к рассмотрению вопросов, связанных с частотной
характеристикой конусного громкоговорителя, мы займемся сна-
чала областью низких частот, где лежит, как мы уже знаем,
резонансная частота (подвижной системы.
Заметим, прежде всего, что по ряду соображений частота
механического резонанса не может быть понижена- настолько, на-
сколько это было бы желательно с точки зрения частотных иска-
жений. С одной стороны, этому препятствует затруднительность
конструктивного 'выполнения крепежных деталей с очень большой
податливостью; с другой стороны', чем более податлива подвиж-
ная система, тем больше амплитуда колебаний и тем более
серьезной становится опасность амплитудных искажений, о кото-
рых будет сказано ниже ПсЬтому частота резонанса имеет обыч-
но .величину порядка 80—100 гц.
Не следует, однако, думать, что в области частот, близких к
резонансу, характеристика чувствительности имеет подъем, соот-
ветствующий подъёму характеристики отдачи (см. рис. 12). Дело
в том, что по мере приближения к резонансу электрическое
сопротивление громкоговорителя резко возрастает (см. рис. 10)
и, если амплитуда напряжения на клеммах остается постоянной,
то громкоговоритель забирает от усилителя очень небольшую
мощность. Поэтому в области низких частот чувствительность
громкоговорителя падает.
Наряду с этим чувствительность падает в сторону низких
частот еще и благодаря выравниванию звукового давления в ре-
зультате диффракции звука. Представим себе, .что конус по-
лучает некоторое смещение; двигаясь, он создает перед собою
сжатие, позади себя—разрежение. Созданные движением конуса
возмущения (сжатие и разрежение) должны распространяться в
стороны; при этом сжатия и разрежения, огибая конус, нало-
жатся друг на друга- и взаимно уничтожатся в результате интер-
ференции. Наложение противоположных по фазе волн, излучаемых
передней и оборотной сторонами конуса, образно называют аку-
20
21
этическим «коротким замыканием». Его следствием является рез-
кое снижение сопротивления излучения; конус при этом ие столь-
ко излучает звук, сколько перегоняет воздух с одной стороны на
другую.
Явление происходит только в области низких частот, или,
говоря точнее, в области тех частот, где длина звуковой волны
велика по сравнению с размерами излучателя. Это станет понят-
ным, если сообразить, что 'огибание конуса излучаемой им же
самим волной (то есть диффраицня звука) возможно только при
условии, что длина волны достаточно велика по сравнению с
размерами огибаемого препятствия (см. добавление 6).
Вредное влияние акустического «короткого замыкания» в неко-
торой мере снижается благодаря монтажу громкоговорителя в
щите достаточно больших размеров *; однако в области низких
частот, где длина звуковой волны измеряется метрами, щиты
обычных размеров (порядка 1X1 •«) уже не препятствуют огиба-
нию излучающей системы и, следовательно, интерференция волн,
излучаемых в противоположных фазах передней н оборотной сто-
ронами конуса. г<
О рациональном выборе формы и размеров щита, а также
я о некоторых других приемах улучшения частотной характери-
стики в области низких частот будет сказано ниже.
Переходя к искажениям в области средних и высоких частот,
следует прежде всего отметить, что очень значительная неров-
ность частотной характеристики конусного громкоговорителя в
этой области обусловлена главным образом тем, что диффузор,
несмотря на коническую форму, колеблется как жесткое це-
лое, как поршень, только при достаточно медленных колеба-
ниях, то есть при низких частотах. По мере же возрастания
частоты поведение конуса становится гораздо более сложным:
поверхность его колеблется так, что в различных ее точках ампли-
туда и фаза колебаний значительно разнятся между собой. Гру-
бое представление об этом дает следующий простой опыт. Возь-
мите небольшой .прямоугольный кусок плотной бумаги, зажмите
его за середину между большим и указательным пальцем. Если
двигать бумагу взад и вперед перпендикулярно к ее плоскости,
то при медленном движении весь куерк колеблется как одно
целое; при более быстром движении края бумаги заметно отстают
от середины и фаза колебаний постепенно, но в довольно широких
пределах, меняется от середины к краям. По существу дела
такое же явление, хотя и в гораздо более сложных формах, про-
исходит и при вынужденных колебаниях конуса. ОсеЬая сила,
приложенная к х диффузору при протекании через звуковую ка-
тушку переменного тока и распределенная по окружности усече-
ния конус», может быть разложена на две составляющих
(рис. 13, а). Одна из них. продольная, направлена вдоль
образующей конуса (пб); о пей мы будем говорить позже. Другая
составляющая, поперечная, направлена под прямым углом
к поверхности конуса; так как эта составляющая имеет, как и
* Очень часто называют этот щит «отражательной доской»; такое название,
конечно- ие имеет смысла, поскольку доска никаких отражательных функций
с1' выполняет. Её назначение — защита «переднего» и «оборотного» излучения
Л’руг от друга.
«осевая сила (F) периодический характер, то она возбуждает попе-
речные колебания поверхности конуса. В результате должна воз-
«нкнуть поперечная волна, бегущая по поверхности диф-
фузора в направлении его образующей. Как показывают измере-
Рис. 13. Поперечные колебания кониче-
ского диффузора
-яия, скорость распространения этой волны при нормальной плот-
ности бумаги и при обычном угле раскрытия конуса (100—110°)
имеет велйчину порядка 700—800 м/сек. При низких частотах,
когда длина поперечной волны велика по сравнению с длиной
образующей конуса, фазы колебаний в различных точках поверх-
ности диффузора мало отличаются друг от друга, н мы вправе
считать, что конус колеблется, как жесткий поршень. Однако, на-
чиная с частот порядка 1 000 гц, длина бегущей по диффузору
поперечной волны становится сравнимой с его размерами; при
этом различные точки па поверхности диффузора колеблются с
различными амплитудами и фазами, а это означает, что конус
уже не является жестким. В качестве примера сравни-
тельно простой формы колебаний диффузора на рис. 13, б и
13. в изображены две противоположных фазы изгиба конуса с
закрепленным внешним краем; этот изгиб следует представлять
себе как результат наложения друг на друга прямой волны,
возникающей под воздействием звуковой катушки, и обратной
волны, отраженной от внешнего края. Перед нами —стоячая
волна. Соответствующая одному из возможных резонансных
колебаний конуса; это колебание характеризуется наличием
двух узловых кругов (кк) подобных тем, которые наблюдаются
при собственных колебаниях круглой мембраны (см. добавле-
ние 7).
Опыт показывает, что резонансные колебания с узловыми кру-
гами (мы будем называть их симметричными колебаниями)
наблюдаются только при сравнительно высоких частотах (выше
5 000—2 500 гц). Но и в области средних частот (500—2000 гц) ко-
нус колеблется все-такн не как жесткий поршень: при определен-
ных частотах поверхность его подразделяется узловыми линиями,
которые имеют форму дуг, опирающихся на внешний край конуса.
Части поверхности, лежащие по одну и по другую сторону узло-
23
Рис. 14. Частотная характеристика конусного громкоговорителя
й формы собственных колебаний конуса
вых линий, колеблются с. * противоположными фазами. Такие резо-
нансные колебания мы будем называть несимметричными..
Наличие несимметричных колебаний свидетельствует о том, что
процесс распространения поперечного возбуждения по поверхно-
сти диффузора имеет несравненно более сложный характер, чем
это .можно первоначально подумать: поперечные волны распро-
страняются не только вдоль образующей конуса, но и по другим
направлениям, что и приводит к очень сложному распределению
амплитуд и фаз колебания по поверхности диффузора.
Каково же влияние резонансных колебаний конуса на воспро-
изведе'иие з^ука громкоговорителем? Очевидно, ч;то наличие
многочисленных резонансных частот, распределенных по всему
воспроизводимому диапазону, имеет следствием значительную
неровность частотных характеристик отдачи и чувствительности.
Это видно из рис. 14, на котором изображена характеристика
конусного громкоговорителя, а фотоснимки в кружках, относя-
щиеся к той или иной точке характеристики, дают представление
о форме колебаний конуса при соответствующей частоте. Эти
кружки представляют собой так называемые х л а д н и е в ы фи-
гуры, образованные песком, которым посыпается колеблющееся
тело: песчинки сбрасываются с тех мест, где колебания происхо-
24 - . ' -
дят с более или менее значительной амплитудой, и собираются
в узловых линиях, где амплитуда близка к нулю ». Три левых
снимка в'верхнем и в нижнем ряду иллюстрируют несимметрич-
ные колебания с узловыми линиями в виде дуг, опирающихся на
внешний край конуса (число этих дуг—от 4 до 9); крайний пра
вый снимок в верхнем ряду относится к симметричному колеба-
нию с четырьмя узловыми кругами. На остальных снимках форма
колебания более сложна и не поддается простому описанию.
Нужно, однако, иметь в виду, что симметричные колебания при
достаточном затухании их по направлению к внешнему краю ко-
нуса могут играть и положительную роль, способствуя лучшей
передаче высоких частот. Дело в том, что сопротивление излуче-
ния жесткого конуса растет с частотою не беспредельно, а только
до тех пор, пока длина излучаемой волны (в воздухе) не сде-
лается сравнимой с диаметром конуса. При дальнейшем возраста-
нии частоты сопротивление излучения уже не увеличивается,
тогда как .амплитуда колебательной скорости конуса продолжает
убывать с частотой, поскольку инерциальное сопротивление-
(2п/т) продолжает преобладать над всеми другими составляю-
щими механического сопротивления подвижной системы громко-
говорителя. Положение дела иллюстрируется кривыми рис. 15,
на котором даны частотные характеристики сопротивления излу-
чения (г), амплитуды скорости (ц>) и акустической мощности
Ра = —г'о2/' j ’ отдаваемой жестким излучателем. (Следует обра-
тить внимание, что масштаб осей —логарифмический: переход па
одно'деление вверх или вправо соответствует увеличению той или
мной величины в 10 раз.) Мы видим, что в области низких час-
тот (атримерно до 1 000 гц) акустическая мощность практически
постоянна; здесь рост сопротивления излучения компенсирует спа-
дание скорости.
В области же более высоких частот сопротивление излучения
возрастает очень мало; уменьшение же амплитуды скорости при-
водит к крутому опаду излучаемой мощности- Таким образом
абсолютно жесткий конус вовсе не является идеальным излуча
телем широкого диапазона звуковых частот.
Представим себе теперь, что конус способен совершать чисто
симметричные колебания, амплитуда которых благодаря затуха-
нию поперечных волн, бегущих вдоль образующей, постепенно
убывает по направлению к внешнему, краю конуса и притом тем
быстрее, чем выше частота. Это означает, что по мере возраста-
ния частоты действующая поверхность конуса сокращается,
поскольку внешние его части, где амплитуда колебаний стано-
вится очень малой, как бы выходят из работы. При этом сокра-
щается и инерциальное сопротивление подвижной системы, а в
силу этого колебательная скорость убывает с частотою гораздо
медленнее, нежели в случае жесткого конуса, что обусловливает
и более медленный спад акустической мощности.
* Нетрудно получить хладниевы фигуры на горизонтально расположенной
мембране или пластинке; чтобы наблюдать их на внутренней поверхносги
конуса, громкоговоритель устанавливается конусом вверх и проводится во
вращение. При этом центробежная сила и трение не позволяю песчинкам
скатываться вниз к звуковой катушке.
25
Положение дела поясняется кривыми рис. 16, изображающими
частотные характеристики мощности, излучаемой конусами раз-
личного размера. Кривая 1 относится к самому большому конусу;
мощность его сравнительно велика, но начинает падать при не
очень высоких частотах. Коиус меньшего размера дает кривую 2'
мощность здесь меньше, однако она начинает убывать при более
высоких частотах. Конус еще меньшего размера излучает еще
меньшую мощность, ио перегиб кривой иачииается с еще более
высоких частот, так как размер этого конуса в очень широкой
Рис. 15. Примерный
•ход частотной харак-
теристики излучения
жесткого конуса
Рис. 16. Характеристики мощности,
излучаемой жесткими конусами посте-
пенно уменьшающегося размера
области частот остается малым по сравнению с длиною излучае-
мой волиы (кривая 3). Если мы представим себе конус, размеры
которого благодаря затуханию симметричных колебаний автома-
тически сокращаются по мере роста частоты, то при благоприят-
ном стечении обстоятельств частотный" ход излучаемой мощности
может определяться пунктирной кривой, которая представляет
собой огибающую кривых 1—3; с возрастанием частоты мы как
бы переходим с одной кривой на другую в соответствующих
участках частотной полосы.
Из графика непосредственно ясно, что пунктирная кривая,
соответствующая случаю нежесткого конуса, спадает в сторону
высоких частот медленнее, чем любая из трех характеристик
жестких конусов.
В свете этих соображений становится ясно, что с точки зре-
ния частотных искажений литые (бесшовные) диффузоры лучше
диффузоров, склеенных из выкройки: во-первых, шов создает
асимметрию, способствующую возникновению несимметричных
колебаний, играющих всегда отрицательную роль; во-вторых, при
литье диффузоров легче варьировать те технологические показа-
тели, которые определяют наивыгоднейшее затухание симметрич-
ных колебаний, в известной мере способствующих улучшению ха-
рактеристики конусного громкоговорителя.
26
ГОФРИРОВАННЫЕ ДИФФУЗОРЫ
Из предшествующего ясно, насколько целесообразно приме-
нять такие диффузоры, устройство которых благоприятствует
возникновению симметричных колебаний в области повышенных
частот н, напротив, затрудняет возникновение несимметричных
колебаний в той области, где мы еще заинтересованы в поршне-
вом действии конуса. Диффузоры такого типа могут быть полу-
чены применением достаточно глубокой кольцевой гофрировки
конуса; схематический разрез гофрированного диффузора дан на
рис. 17.
Гофрировка делается на специальных прессах под давлением
120—150 атмосфер; перед отпрессовкой бумага смачивается, а
выдавливание гофрировки производится при довольно высокой
температуре.
В области низких частот упругое сопротивление кольцевых
гофрировок велико по, сравнению с инерциальным сопротивле-
нием гладких участков, массы которых примерно равны друг
другу (для этого поперечный размер гладких участков постепепно
уменьшается по мере расширения конуса); вследствие преоблада-
ния инерциального сопротивления диффузор на низких частотах
колеблется, как поршень, и гофрировки не деформируются. При
более высоких частотах инерциальное сопротивление жестких
участков возрастает, а упругое сопротивление соединительных
элементов (гофров) падает; благодаря их деформации отдельные
гладкие зоны колеблются уже не в одной и той же фазе, и — что
является наиболее существенным — амплитуда колебания вслед-
ствие потери мощности на внутреннее трение
в гофрировке постепенно убывает по мере уда-
ления от начального звена. Другими словами —
при повышенных частотах диффузор утрачивает
жесткость, и действующая его часть (то есть
число зон, колеблющихся с более или менее
значительной амплитудой) постепенно сокра-
щается.
Наряду с этим применение кольцевой гоф-
рировки повышает жесткость диффузора по
отношению к 'несимметричным колебаниям: дей-
ствительно, каждый гофр представляет собою
жолоб, который легко деформируется в направ-
лении, перпендикулярном к его длине, но не
поддается изгибу осевой линии; а такой изгиб
как раз и должен иметь место при несиммет-
ричных колебаниях.
Другой способ, применяемый для улучшения
частотной характеристики литых диффузоров,
заключается ® том, что конус делается неодно-
родным; в направлении образующей коиус
делится на несколько зон (от трех до шести),
личную плотность и жесткость. Наиболее жесткой делается
внутренняя часть конуса, которая для этой цели пропитывается
лаком.
Смысл этого мероприятия сводится опять-таки к обеспечению
сокращения действующей поверхности конуса в области высоких
частот.
Рис. 17. Гоф-
рированный
диффузор
имеющих раз-
27
АМПЛИТУДНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
В области низких частот, где амплитуды колебаний конуса и
катушки достаточно велики, доходя до 1,5—2,,лыг, амплитудные
искажения обусловлены упругими свойствами крепежных дета-
лей — центрирующей шайбы и, в особенности, кольца, несущего
внешний край диффузора. При больших амплитудах колебания
упругая сила, развиваемая крепежными деталями, растет непро-
порционально смещению конуса, и упругая характеристика си-
стемы делается нелинейной. В связи с этим клнрфактор при
номинальной мощности достигает десятков процентов в области
Кпиррфактир
Рие. 18. Клнрфактор конус-
ных громкоговорителей в об-
ласти низких частот
нуса за счет применения мягкой
внешний край конуса з
акрепляется
частот, лежащих вблизи от ча-
стоты резонанса подвижной си-
стемы. На рис. 18 верхняя кри-
вая дает частотную характери-
стику клирфактора громкогово-
рителя ГДД-8; средняя .кривая
относится к одному из современ-
ных американских громкогово-
рителей того же типа. Нижняя
кривая, дающая наименьшие зна-
чения клирфактора, доказывает,
что одной из важных причин
искажения является внешнее
кольцо; кривая относится к тому
же громкоговорителю,, что н
'средняя кривая, но с измененной
системой подвеса конуса. Эта си-
стема — так называемый «аккор-
деонный» подвес — обеспечивает
очень большую податливость ко-
пармоннки, посредством которой
в диффузородержателе.
Сравнительно небольшое искажение при наличии очень мяг-
кого подвеса обусловлено уже не его упругой характеристикой,
а спаданием магнитной индукции по направлению к краям за-
зора.
Это обстоятельство приводит к уменьшению силы, действую-
щей на смещенную звуковую катушку со стороны магнитной
системы; электродинамическая сила становится зависимой уже
we только от силы протекающего в катушке тока, но и от поло-
жения катушки в зазоре.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ
При разработке и испытании конусных громкоговорителей по-
вышенной мощности (от 10 вт и выше) было обнаружено, что на
пиках нагрузки возникает своеобразное искажение звукопередачи,
выражающееся в „ д р е б е з ж а и н и диффузора. Исследование,
произведенное в условиях подведения к катушке' синусоидального
тока различных частот, показало, что на определенных частотах
увеличение подводимо,) мощности сверх некоторого предела со-
провождается внезапным появлением искажающегося призвука,
частота которого равна половине частоты тока
в звуковой катушке.
Сущность этого явления, называемого параметрическим
резонансом, поясняется схемой рис. 19. На схеме изображена
одна только продольная составляющая осевой силы, при-
ложенной к диффузору. Так как внешний край конуса не является
свободным, то при достаточной величине продольной составляю-
щей (то есть при увеличении мощности) образующая диффузора
претерпевает продюльный изгиб, рак это показано на
схеме. Важно отметить, что прогиб образующей конуса как внутрь,
так и наружу может произойти только в те моменты, когда осе-
вая сила направлена в сторону основания конуса. Таким образом
от одного такого момента до следующего проходит время, равное
одному периоду колебаний катушки; в тоже время
поперечное движение образующей происходит от одного край-
него положения до другого (эти крайние положения показаны на
схеме пунктиром), то есть охватывает половину периода
поперечного колебания. Но если иа каждый период
колебания катушки (или, что то же самое, на каждый период
тока) приходится только полпериода поперечного колебания ко-
нуса, то это значит, что конус колеблется с частотой, равной по-
ловине частоты тока.
В действительных условиях явление «деления частоты» может
развертываться и в гораздо более сложных формах, чем это по-
казано на рис. 19. Область
частот, в которой наблюдают
ся параметрические резонансы
(и, следовательно, искажение
звукопередачи за счет колеба
ний «дробной» частоты), про-
стирается (примерно от 600 до
2 500. гц.
При .частотах ниже 500 гц
и выше 3 000—4 000 гц пара-
метрическое искажение уже
не имеет места.
Весьма остроумное реше-
ние задачи устранения пара-
метрических искажений заклю-
чается в применении диф-
фузоров с криволи-
нейной образуете й;
примерная форма такого диф-
фузора (Изображена на рис. 20.
Нетрудно понять, чго при на-
личии заранее заданного из-
гиба диффузор при продоль-
ном сжатии всегда будет прогибаться в одну и ту же сторону —
именно в сторону уже имеющегося изгиба. Тем самым исклю-
чается (или, во всяком случае, очень затрудниется) возможность
.перемены напрй|Вления прогиба при продольном сжатии. Это зна-
чит, что устраняется и возможность искажающего «деления ча-
стоты».
Рис. 19. Парамет-
рические колеба-
ния конического
диффузора
Рис. 20.
Диффузор с
криволиней-
ной образую-
щей
28
29
РАЗМЕРЫ И ФОРМА ЩИТА ДЛЯ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
Выше было показано, что назначение деревянного щита, в ко-
тором обычно монтируется громкоговоритель, заключается в устра-
нении акустического «короткого замыкания», то есть выравни-
вания звукового давления, создаваемого в противоположных фа-
зах передней и оборотной сторонами конуса. Это нежелательное
явление устраняется тем лучше, чем больше размеры щита.
Покажем, однако, что не только размеры, но н форма
щита может влиять на качество звукопередачи.
Если в некоторой точке, лежащей перед громкоговорителем,—
скажем, на его оси, — накладываются друг на друга две вол-
Рис. 21. Влияние размеров и формы щита на частотную
характеристику громкоговорителя
ны, излученные с противоположными фазами и имеющие какую-то
разность ходов, то они «погасят» друг друга в том случае, ко-
гда эта разность ходов будет равна длине волны;
действительно, в этом случае сжатие, создаваемое одной волной,
совпадет с разрежением, создаваемым другой волной, излучен-
ной в противофазе. Представим себе теперь громкоговоритель в
квадратном щите; в точке, расположенной перед громкоговори-
телем, будут интерферировать две волны: прямая, идущая от
передней стороны конуса, н оборотная, излучаёмая в про-
тивоположной фазе и огибающая щит. Последняя проходит до
точки наблюдения больший, путь, чем прямая волна; избы-
ток пройденного ею пути приближенно равен стороне (квадрата
щита. Когда длина 'волны излучаемого звука сделается равной
этому избытку, мы будем иметь в точке наблюдения резкий ми-
нимум звукового давления, создаваемого излучающей системой**-
Поясним это примером. На рис. 21,а изображен громкоговори-
тель с диффузором диаметром в 20 см, монтированный в центре
квадратного щита со стороною 90 см. Как видно из чертежа,
кратчайший путь по воздуху от одной стороны конуса до другой
составляет 35+35=70 см. На рис. 21,в изображена пунктиром
частотная характеристика громкоговорителя в данном щите,
имеющая резкий провал на частоте 500 гц. Но длина волны на
этой частоте равна 340: 500=0,68 м, то есть 68 см, а- это почти
точно совпадает с вычислённой разностью ходов.
С подобным явлением «избирательного» ослабления звука
можно бороться, применяя щиты неправильной формы
с несимметричным расположением громкоговорителя. Образец
такого щита (рядом с обычным квадратным щитом) дан на
рис. 21,6. Достигаемая при этом выгода связана с тем, что-
траектории звуковых лучей, огибающих щит, имеют различную
длину; в результате этого интерференционные явления, если мож-
но так выразиться, «размазываются» по довольно широкой об-
ласти частот, и характеристика громкоговорителя получается го-
раздо более ровной. На рис. 21,в эта характеристика представ-
лейа сплошной кривой; сравнение обеих кривых наглядно пока-
зывает преимущества щитов неправильной формы.
Отметим, что симметричным расположением громкоговорителя,
в квадратном щите объясняется и следующий, яа первый взгляд
неожиданный, факт. Если мы посмотрим на характеристику
направленности такого громкоговорителя, изображенную на рис. 2,
то заметим, что на частоте 1 000 гц эта характеристика имеет
минимум на оси и два максимума, симметрично располо-
женные под углами в 45° по обе стороны от оси. Расчет, выпол-
ненный для тех условий, при которых снималась характеристика,
показывает, что на частоте 1 000 гц длина волны равна разности
ходов волн, доходящих до микрофона от передней и оборотной
сторон конуса; при этом водны гасят одна другую. Применение
несимметричных щитов устраняет возможность появления подоб-
ных «осевых провалов» направленности.
Ф АЗОИНВЕРТЕР
На первый взгляд может показаться, что с явлением акустн
ческого «короткого замыкания» можно бороться гораздо более
компактными, устройствами, нежели щиты очень больших разме-
ров: достаточно поместить громкоговоритель в закрытый ящик,
не позволяющий излучению оборотной стороны конуса выходить
наружу и интерферировать с излучением передней. стороны. Одна-
ко такой прием, хотя и устраняет выравнивание звукового давле-
ния, связан с очень существенным неудобством: упругость за-
мкнутого в ящике воздушного объема, складываясь с упругостью
крепежных деталей, значительно повышает частоту ме-
ханического резонанса подвижной системы громкогово-
рителя (если только размеры ящика ие очень велики). А нам уже
известно, что механический резонанс должен лежать возможно
более низко. *
* См. добавление 6.
30
31
Но есть возможность применять ящики особого устройства,
которые при сравнительно небольших размерах позволяют за-
метно поднять чувствительность громкоговорителя в области
низких частот. Идея устройства сводится к тому, чтобы обратит!
Рис. 23. К
объяснению
работы фазо-
инвертера
(или, как иначе говорят, инвертировать) фазу излучения
оборотной стороны диффузора. При этом волна, излучаемая де-
редней стороной диффузора, и волна, выходящая из ящика с
обращенной фазой, имеют вблизи от ящика одинаковые фазы, и
их интерференция уже не приводит к ослаблению звука. Такое
устройство, представляющее собой ящик для монтажа громкого-
ворителя, имеющий в одной из стенок отверстие, носит название
ф азоинвертер а. Образцы двух моделей фазоинвертеров
даны, па рис. 22 (размеры в сантиметрах).
Для того чтобы понять работу фазоинвертера, рассмотрим
схему, изображенную на рис. 23. Внешняя периодическая сила,
•обозначенная стрелкой, приложена к массе 1, которая связана с
положением равновесия пружиной а; масса 1 изображает массу
конуса с катушкой, пружина а —-у п р у го ст ь крепеж-
ных деталей. Масса 2, изображающая массу воздуха,
.перемещающегося при колебаниях конуса через отвер-
стие, получает движение вследствие того, что она связана с
массой 1 посредством пружины б, изображающей упругость
воздушного объема внутри ящика. При очень мед-
ленных колебаниях (низкие частоты) пружина б не успевает де-
формироваться и масса 2 движется в одинаковой фазе с мас-
сой 1, как если бы пружина б была совершенно жесткой. Г1р
мере приближения к частоте резонанса массы 2 она колеблется
со все возрастающей амплитудой; пружина б при этом деформи-
руется в очень широких пределах, тормозя движение массы 1.
амплитуда колебаний которой поэтому уменьшается. При часто
тах, лежащих выше частоты резопанса массы 2 на пружине б
упругое сопротивление этой пружины меньше, чем ииерп.нальнш
сопротивление массы 2; поэтому сжатие пружины происходит
всегда раньше, чем масса 2 начнет удаляться от массы /, а это
означает, что обе массы всегда движутся в противоположных
фазах, то есть либо навстречу друг другу, либо в стороны друг
от друга.
Перенося эти рассуждения на фазоиивертер, мы можем ска-
зать, что когда конус движется от магнитной системы, создавая
вне ящика сжатие, воздух в отверстии движется наружу, также,
следовательно, создавая перед отверстием сжатие. Напротив,
когда конус движется к магнитной системе, создавая вне ящика
разрежение, воздух в отверстии движется внутрь ящика и перед
отверстием получается тоже разрежение. Таким образом и про-
исходит желаемое обращение (инверсия) фазы излучения оборот-
ной стороны диффузора и устраняются невыгодные последствия
интерференции прямой и оборотной волн.
Испытание моделей, изображенных на рис. 22, показало, что
применение инверсии фазы повышает чувствительность громкогово-
рителя ГДД-8 в области низких частот (80—250 гц) на 6—8 дб.
ФАБРИЧНАЯ АППАРАТУРА
Приводим краткие сведения о конусных электродинамических
громкоговорителях, выпускавшихся в течение последних лет заво-
пим «.ПрНКИНЛ:П»
Шифр Номин. мощ- ность (вт) Полоса частот н ча- стотные искажения 9 Звуковая катушка Катушка возбуждения
Провод сопротив- ление (Q) провод сопротив- ление (2) напряже- ние (S)
гэдд-з 3 80—6000, zt 7 дб ПЭ 0,16 10 ПЭ 0,25 800 120/60
ГДД-8 8 80—6000, zt: 6 дб ПЭ 0,18 10 ПЭ 0,65 36 25
ДК-25 3 80—6000, zt 6 дб ПЭ 0,18 10 ПЭ 0,2 1300 120
(ВходФг в комплект УК-25)
ДКМ-25 (ГЭД-5) 3 80—6000, 7 дб ПЭ 0,18 10 ПЭ 0,2 1300 120
(Входит в комплект У КМ-25) 1
ДАТ-4 м- 72
(ГДД-12) 6 80—6000,zt 7 дб ПЭ0.16 12 ПЭ 0,35 480
(Входиу в комплект ПУ-Г г и г 1У-13)
ГДД-14 6 80—6000,zt 6 дб ПЭ 0,16 12 -— — —
(С постоянным магпигом)
ГДВ-2 10 В зависимости от рупора ! ПЭ 0,2^11,5 ПЭ 0,8 25 25
(Применяется с рупорами РСД 1 и 2, РВД 2 и 3)
3 В. В. фурдуев
33
32
Глава III
РУПОРНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
НАЗНАЧЕНИЕ РУПОРА
Изучая работу какого-либо звукоизлучателя, то есть тела, ко-
леблющегося в окружающей его упругой среде, мы обнаруживаем,
что эффективность такого звукоизлучателя очень невелика: даже
и при значительных амплитудах колебания ои отдает в форме
звуковой волны весьма малую мощность. Причина незначительной
эффективности заключается в том, что источник звука сравни-
тельно небольших размеров излучает шаровую волну, которэд
расходится по всем направлениям от источника. Энергия, отдавае-
мая источником, распределяется по поверхности, возрастающей с
квадратом расстояния от источника, вследствие чего амплитуда зву-
кового давления вблизи от излучателя очень быстро падает. Дей-
ствительно, создаваемые колеблющимся телом сжатия и разре-
жения тут же получают возможность распространиться в неогра-
ниченном пространстве; понятно, что при этом трудно рассчи-
тывать на получение сколько-нибудь значительного избыточного
давления вблизи излучателя. На языке технической акустики мн
выражаем это обстоятельство, говоря, что сопротивление излу-
чения тела, колеблющегося в неограниченной среде, невелико.
Только при достаточно быстрых колебаниях процесс простран-
ственного рассеяния сжатий и разрежений не успевает происхо-
дить в том темпе, в котором колеблется излучатель, и его по-
верхность на протяжении всего рабочего цикла преодолевает
реакцию давления окружающей среды, совершая таким образом
нолезиую работу.
Именно поэтому сопротивление .излучения конуса, как это мм
видели в предыдущей главе (ср. (рис. Н и 15), вначале довольно
быстро растет с частотой; рост сопротивления излучения прекра-
щается тогда, когда процесс происходит достаточно быстро для
того, чтобы сжатия и разрежения не рассеивались раньше, чем
излучатель завершит ту работу, которая может быть получена
на данном этапе колебательного цикла. Подчеркнем, как наибо-
лее существенное, то обстоятельство, что причина .низкой эффек-
тивности излучателя малых размеров коренится в быстром
уменьшении звукового; давления по мере удале-
ния от излучателя. '
; Если мы заставим излучатель работать на рупор, то есть на
трубу постепенно возрастающего сечения, то закон уменьшения
амплитуды с расстоянием определяется уже формой рупора:
выбирая надлежащим образом форму рупора, мы оказываемся в
::4
состоянии обеспечить такое положение вещей, при котором звуко-
вое давление вблизи от излучателя убывает по мере удаления от
него достаточно медленно. Действительно, так как уменьшение
амплитуды п[5рисходит из-за того, что отдаваемая источником
звука энергия распределяется по все возрастающей поверхности
волнового фронта, то ясно, что при работе на рупор возрастание
этой поверхности, а, значит, и убывание амплитуды да-
вления подчинено закону расширения рупора, дру-
гими словами, — его форме.
Заставляя излучатель -работать на рупор, мы рассчитываем
поставить его в такие условия, при которых он может (и притом
совершенно независимо от своих размеров), воздействуя на воздух
внутри рупора, совершить работу, максимально возможную при
данной амплитуде колебаний. Иначе говоря, мы рассчитываем с
помощью рупора нагрузить излучатель достаточно боль-
шим сопротивлением излучения, зависящим от частоты лишь в
очень незначительной степени. Как мы увидим ннж-е, опыт вполне
подтверждает наши расчеты.
ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РУПОР
Какую же форму нужно придать рупору, чтобы обеспечить наи-
более благоприятный закон убывания давления с. расстоянием?
С одной1 стороны, из сказанного выше должно быть понятно,
что в своей начальной части рупор должен расширяться очень
медленно, для того чтобы вблизи от расположенного там излуча-
теля звуковое давление не уменьшалось слишком резко. С другой
стороны, нельзя забывать о том, что оконечное отверстие (устье)
рупора, где звуковая волна переходит в’неограниченное простран-
ство, должно быть достаточно велико, для того чтобы избежать
скачкообразного изменения давления на границе рупора с внешней
средой; в противном случае значительная часть энергии волны
отразится от оконечного отверстия обратно в рупор *. Чтобы удо-
влетворить обоим поставленным условиям, можно подобрать та-
кой рупор, сечение которого возрастает тем медленнее, чем оно
меньше, и, значит,, тем быстрее, чем оно больше. Другими словами,
При переходе иа* заданный отрезок осевой длины рупора его сече-
ние должно увеличиваться в одно и то же число раз, где бы ни
выбрать этот отрезок. • В левой части рис. 24 изображен разрез
такого рупора; его сечение Увеличивается -в 2,09 раза при пере-
ходе на каждые 10 см в сторону устья.
На рис. 25 показано, как уменьшается звуковое давление в
таком рупоре по -мере удаления от излучателя; на том же
графике для сравнения представлено убывание давления в ша-
ровой волне, то есть в том случае, когда рупор снят. График
наглядно иллюстрирует роль рупора.
* Представим себе, что звуковая волна, имея на своем фронте зону ока-
тия, подходит к оконечному отверстию рупора; если это отверстие невелико,
то давление в звуковой волне на выходе рупора еще достаточно значительно.
При выходе волны из рупора сжатый на ее фронте воздух быстро вытекает в
пространство с нормальным давлением; вследствие этого в плоскости выход-
ного отверстия рупора создается разрежение, которое (как и всякое другое
возмущение равновесного состояния) должно распространяться внутрь рупо-
ра. Это и есть волна, отраженная от оконечного отверстия.
3*
35
В правой части рис. 24 дана частотная характеристика сопро-
тивления излучения рассматриваемого рупора; сопротивление рас-
считано на единицу площади входного отверстия. Бросается в
глаза то обстоятельство, что сопротивление излучения быстро воз-
Рис. 24. Экспоненциальный рупор и характери-
стика его сопротивления излучения
л
растает с повышением частоты и очень скоро достигает значения
дин ч.
(порядка 40 —•— на единицу площади), которое можно считать
см/сек
практически постоянным.
Рупор, сечение которого возрастает так, что отношение двух
сечений, отделенных друг от друга заданным интервалом, по-
стоянно на всем протяжении рупора, называется экспоненци-
альным*. Ввиду того, что сопротивление излучения экспонен-
циальных рупоров постоянно в пределах" широкой полосы частот,
такие рупоры имеют преимущественное применение в электроаку-
стической технике.
КРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТОТА
Присматриваясь к частотной характеристике сопротивления ру-
пора (правая часть рис. 24), мы замечаем, что п-о мере приближе-
ния к некоторой определенной частоте (в данном случае —к
200 гц) сопротивление излучения очень резко падает. Было бы за-
труднительно разбирать здесь причины этого довольно сложного
явления; заметим лишь, что выбирая меньшее соотношение между
двумя сечениями, отделенными друг от друга заданным интерва-
лом, другими словами, — давая рупору более плавное рас-
ширение, можно понизить ту частоту, на которой сопротив-
* Для знакомых с математикой заметим, что если — начальное сечение
экспоненциального рупора, то его сечение S на расстоянии х от начала опре-
деляется формулой:
lgS— lgS()4-0,434.3 v.
Величина 3 называется показателем расширения рупора.
леиие излучения падает до нуля. Эти частота называется к р и-
т и ческой или гр а и ичн ой частотою рупора; излучение звука
через рупор оказывается достаточно эффективным только в об-
ласти частот, лежащих выше, критической.
Рис. 25. Ход уменьшения
звукового давления в ша-
ровой волне (а) и в экспо-
ненциальном рупоре (б)
Рис. 26. К объяснению
роли акустической транс- <
формации
В нижеследующей таблице показано, как должны возрастать
размеры рупора на определенном интервале осевой длины при той
или иной критической частоте.
Отношение сечений, от-
Критическая деленных интервалом в 10 см (или отношение
частота (в гц) поперечных размеров на
интервале в 20 см)
50 1,20
75 1,32
100 1,45
125 1,58
150 1,74
175 1,00
200 2,09
Таблица показывает, что чем быстрее расширяется экспонен-
циальный рупор, то есть чем больше относительное изменение се-
чения иа единицу длины, тем выше критическая частота. Следова-
тельно. тем уже будет область эффективно излучаемых частот *.
Поэтому хороший рупор (то есть рупор, хорошо передающий низ-
кие частоты) должен иметь медленное расширение и, стало быть,
достаточно большие размеры.
* Показатель расширения 3 (см. предыдущее подстрочное примечание)
связан с критической частотой Икр) формулой 3—3,7’10-' f кр (если расстоя-
ние х выражается в сантиметрах).
36
/
37
УСЛОВИЕ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМОЙ ОТДАЧИ
РУПОРНОГО ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
Будем исходить из уже знакомой нам формулы акустической
мощности, излучаемой колеблющимся телом:
„ 1 >
р ~~ —vaF,
С 2
где t'o — амплитуда скорости жесткого излучателя, г — сопротивле-
ние излучения. В случае экспоненциального рупора с достаточно
низкой критической частотой сопротивление излучения можно счи-
тать постоянным, то есть не зависящим от частоты. Если мы же-
лаем, чтобы отдаваемая в рупор мощность Ра не зависела от ча-
стоты, мы должны потребовать, чтобы и амплитуда скорости-излу-
чателя была постоянной, а это значит, что и упругое и, в особен-
ности, инерциальное сопротивление подвижной системы громкого-
ворителя, работающего на рупор, были бы малы по сравнению с
сопротивлением излучения. Другими словами, декремент затухания
вследствие излучения
d ~ ~
2fm
должен быть достаточно велик. Сравнивая это рассуждение с тем,
которое относится к акустической мощности диффузорпого громко-
говорителя, мы убеждаемся в том, что работа на рупор ставит
излучатель в исключительно благоприятные условия. В пер-
вом случае интересы отдачи и частотной характеристики стоят,
как мы видели, в непримиримом противоречии друг с. другом. Во
втором случае, напротив, те же самые условия, которые
обеспечивают независимость акустической мощно-
сти от частоты, одновременно гарантируют и высокую
эффективность излучателя (если только активное со-
противление, определяющее постоянство колебательной скорости,
является сопротивлением излучения рупора).
АКУСТИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ
Преобладание сопротивления излучения рупора (г) иад инер-
циальным сопротивлением (2 диафрагмы, колеблющейся в
горле .рупора (ш есть масса этой диафрагмы), не может быть,
однако, обеспечено без специальных мероприятий. Дело в том,
что в той области частот, где сопротивление экспоненциального’
рупора постоянно, оно равно примерно 40 на единицу
площади горла рупора 50:
г ~ 40 S
° см ice к
и может быть увеличено только путем увеличения этой площади.
Но это одновременно приводит к соответствующему возрастанию
.'8
размеров, а значит и массы диафрагмы. Таким образов соотно-
шение между сопротивлением рупора и инерциальным сопротивле-
нием подвижной системы практически как будто бы не зависит от
площади горла рупора.
Существует, однако, простой прием, позволяющий увеличивать
это соотношение в довольно широких пределах; прием этот носит
название акустической трансформации.
Сущность дела нетрудно понять из схемы, изображенной на
рис. 26. Здесь представлены два поршня, закрывающие отверстия
наполненных водою сообщающихся сосудов. Предположим, что
площадь одного поршня в 10 раз больше площади другого. Пусть
большой поршень под действием внешней силы F опускается с не-
которой скоростью v, малый поршень будет подниматься со ско-
ростью 10 т. Зато сила, с которой малый поршень действует при
подъеме на какую-либо нагрузку, будет в 10 раз меньше силы,
приложенной к большому поршню. Представим себе теперь, что
малый поршень, двигаясь, преодолевает какое-либо сопротивление;
величина этого сопротивления определяется отношением силы, раз-
виваемой малым поршнем, к скорости малого поршня:
г==2>^о,о1^.
101' v
Р
Но отношение — есть сопротивление, преодолеваемое силой, при-
ложенной к большому поршню; обозначим это сопротивление через
г'. Мы можем написать теперь:
г — 0,01г' или rfc= 100 г.
С механической точки зрения наше устройство оказывается в
достаточной степени невыгодным: сопротивление в точке приложе-
ния силы (г') оказывается в сто раз больше сопротивления
нагрузки (г). Поэтому в гидравлическом прессе (которым и
является устройство, представленное схематически на рис. 26)
сила * прилагается к малому поршню, а. нагрузка —к большому
Но для рупорного говорителя мы как раз и заинтересованы в
увеличении сопротивления нагрузки, другими словами'—сопро-
тивления излучения рупора. Поэтому принцип гидравлического
пресса используется здесь в форме, прямо противоположной
той, к которой мы привыкли в механике. Как показано на рис. 27,
излучатель (мы представляем его себе в виде жесткого поршня)
ставится не в начальном сечении рупора, а соединяется с ним
посредством полости, называемой предр упорной к а м е-
р о й. Если временно не считаться со сжимаемостью воздуха
в камере, то рассматриваемое устройство отличается от схемы
гидравлического пресса только тем, что вместо поступательного
движения поршень совершает движение колебательное. Пусть
площадь поршневой диафрагмы (5Х) в п раз больше площади
горла рупора (So ):
S,
п — —.
«о
Сила, противодействующая движению диафрагмы, будет в п
раз больше той силы, с которой сжимаемый • в камере воздух
39
действует на входное отверстие рупора; колебательная же
скорость диафрагмы будет в п раз меньше скорости воздуха в
горле рупора. Сопротивление, нагружающее диафрагму, будет
поэтому в п. п, то есть в п2 раз
больше сопротивления излучения
I рупора:
|г—_________ г' = лэг =««-40 5 -----
1 J ~ ° см!сек
Формула показывает, что,
применяя предрупорную камеру,
Рис. 2>. . хредрупорляя к<«мера мы получаем- возможность увели-
чивать активное сопротивление
подвижной системы за счет надлежащего выбора числа п, иазы-
ааемсгс коэффициентом акустической трансфер-
мац и и.
УСТРОЙСТВО рупорного громкоговорителя-
Рис. 28. Устройство го-
ловки нормального ру-
порного электродинами-
ческого громкоговори-
теля
На рис. 28 представлен продольный разрез головки нормаль-
ного рупорного громкоговорителя; под термином «головка» при-
пято понимать подвижную и магнитную систему громкоговорителя,,
присоединяемую к рупору.
Подвижная система состоит из звуковой ’катушки 1,
жестко связанной с металлической диафрагмой 2, имеющей
форму невысокого сферического ку-
пола; сферическая форма придает-
ся диафрагме в целях обеспечения
ее жесткости. Звуковую катушку
целесообразно мотать алюминиевым
проводом, однако из-за дефицитно-
сти его применяют и медный, что,
впрочем, снижает отдачу громкого-
ворителя вследствие большего
удельного веса меди. Плоский в о-
ротник диафрагмы зажимается по
окружности, сообщая подвижной
системе необходимую упругость в
осевом направлении. Рупор 3, на-
чинающийся внутри керна, соеди-
няется с предрупорн ой к а-
мерой 4 посредством радиаль-
ных к а и а л о в 5; о назначении
этих каналов будет сказано позднее.
Магнитная система имеет ц е н-
тральный керн 6, на котЬрый
надевается катушка возбу-
ждения 8. Керн является одним из
другим полюсом является передний
образном зазоре между керном и передним фланцем, где прохо-
дят магнитные силовые линии, помещается звуковая катушка.
Крышка 9 защищает диафрагму от механических повреждений.
полюсов магнитной системы;
фланец 7. В кольце-
Навиптованный отросток 10 на заднем фланце магнитной
системы служит для привертывания рупора.
Действие громкоговорителя заключается в том, что взаимо-
действие тока в звуковой катушке с магнитными силовыми ли
днями создает электродинамическую силу, приводящую катушку
с диафрагмой в колебательное движение.
Описанное устройство имеет рупорный громкоговоритель РД-10
(Тульского радиозавода), широко применявшийся для обслужива-
ния улиц и площадей. В практике звуковой кинопроекции он мо-
жет найти себе применение для воспроизведения музыки в летних
садах звуковых кинотеатров и для оповещения ожидающих на-
чала сеанса зрителей.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
Электрическое сопротивление рупорного электродинамического
громкоговорителя имеет сравнительно очень ровную частотную
характеристику. Это объясняется тем, что подвижная система
громкоговорителя нагружена большим активным сопротивлением
и амплитуда ее скорости остается поэтому постоянной в преде-
лах довольно широкой полосы частот (следует вспомнить, что
постоянство ампл-итуды скорости диафрагмы, как было показано
выше, является необходимым условием частотно-независимой от-
дачи). Значит, и противоэлектродвижущая сила, индуктируемая
при колебаниях катушки, практически мало зависит от частоты.
Так как электрическое сопротивление заторможенной катушки
имеет по преимуществу характер омического сопротивления, то и
сопротивление работающего громкоговорителя, увеличенное из-за
противоэлектродвижущей силы, пропорциональной скорости ка-
тушки, имеет характер чисто активного сопротивления, почти не
меняющегося с частотой.
ОТДАЧА И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
1
Хорошие рупорные громкоговорители электродинамического ти-
па обладают довольно высокой отдачей порядка 25—30% в об-
ласти средних частот. Максимальное значение отдача имеет на
частоте резонанса подвижной системы (обычно в области
500—800 гц); это максимальное значение можно подсчитать по
формуле:
1
макс к. п. д.~------------ ’
Ц-IO9
. B'-v
где р — удельное сопротивление проводника звуковой катушки (для
алюминия р = 0,000003 й. см), В — магнитная индукция в зазоре
(в гауссах), v — объем проводника звуковой катушки, г — сопро-
тивление излучения’рупора, п — коэффициент акустической транс-
формации.
Абсолютная чувствительность хороших образцов рупорных
электродинамических громкоговорителей имеет в области средних
40
4.1
•частот величину порядка 100 барбет. При сопротивлении звуке-
мой катушки в 10—15 Й это соответствует чувствительности по-
рядка 25—30 бар/в.
ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
В области низких частот основным источником неровности час-
тотной характеристики рупорного громкоговорителя является от-
ражение звуковой волны от оконечного отверстия рупора и недо-
статочно низкое значение критической частоты. Понижение кри-
тической частоты, весьма желательное с точки зрения улучшения
характеристики в области низких частот, ограничено габаритом
рупора. Для уменьшения габаритов рупора применяется сворачи-
вание его оси; на рис. 29 показан внешний вид свернутого ру-
пора одной из американских фирм. Нельзя, однако, не отметить,
что свернутые рупоры, обладая хорошей характеристикой в об
ласти низких частот, хуже воспроизводят высокие частоты вслед-
•ствие нежелательной интерференции волн малой длины, претер-
певающих при прохождении через изогнутый рупор многократные
отражения от стенок.
В области высоких частот отдача рупорного громкоговорителя
уменьшается в силу нескольких причин.
Во-первых, по мере роста частоты возрастает инерци-
альное сопротивление подвижной системы громкоговори-
теля. Хотя масса диафрагмы н катушки имеет небольшую вели-
чину (3—5 г), все же иа высоких частотах инерциальное сопроти-
вление становится сравнимым с сопротивлением излучения рупора
и даже начинает преобладать над ним; это приводит к уменьше-
нию колебательной скорости диафрагмы и, значит, к снижении
акустической мощности, отдаваемой рупору головкой.
Во-вторых, на высоких частотах мы уже не вправе пренебре-
гать сжимаемостью воздуха в предрупорной камере, как
мы это делали при рассмотрении акустической трансформации,
Влияние упругости воздуха поясняется схемой рис. 30, изобра-
жающей элементы колебательной системы рупорного громкоговс-
рителя. Масса, к которой приложена представленная стрелкой
внешняя сила, изображает массу подвижной система
(диафрагмы и звуковой катушки); пружина а, один из концов!
которой неподвижно закреплен, представляет упругость во-'
ротника диафрагмы; рычаг символизирует наличие акусти-
ческой трансформации*; поршень, движущийся в цилин-
дре, изображает сопротивление излучения рупора,
а пружина б—-упругость воздуха в предрупорной
камере. Движение диафрагмы сообщается рупору через посред-
ство воздушного объема камеры; соответственно этому движение
массы на -схеме сообщается рычагу посредством пружины. На
низких частотах упругое сопротивление пружины велико и она
передает рычагу движение, почти не деформируясь; однако, на-
• Выше мы сравнивали акустическую трансформацию с гидравлическим,
прессом, но этот последний в принципе ничем не отличается от неравноплече-1
.гл рычага, изображенного на схеме. Отношение плеч рычага соответствует
коэффициенту акустической трансформации.
чиная с частоты, соответствующей резонансу массы на пружине б,
ее упругое сопротивление становится уже достаточно малым и
движение массы только деформирует пружину., сообщаясь рычагу
лишь в очень незначительной
мере. Естественно, что следстви-
ем этого является резкое умень-
шение той мощности, которая
отдается сопротивлению, нагру-
жающему второе плечо рычага.
Так точно и в рупорном громко-
говорителе при достаточно высо-
Рис. 29. Свернутый
рупор
Рис. 30. Механическая схема
работы диафрагмы на рупор
с предрупорной камерой
ких частотах колеблющаяся диафрагма только сжимает и раз-
режает прилегающий к -ней слой воздуха, причем вытесняемый
диафрагмой воздух не успевает -пройти в горло рупора и создать
там акустический процесс.
Наконец, существует еще и третья причина, снижающая отдачу
громкоговорителя на высоких частотах, где размеры предрупорной
камеры становятся уже сравнимыми с длиною звуковой волны.
Дело й том, что волны, создаваемые различными участками по-
верхности колеблющейси диафрагмы, по пути к входному от-
верстию рупора проходят -отрезки различной длины, как это по-
казано пунктиром на схеме рис. 31. При низких и средних часто-
тах, когда длина звуковой волны велика по сравнению с макси-
мальной разностью волновых ходов, различие нх не влияет сколь-
ко-нибудь существенно на фазы колебаний, достигающих горла
рупора от отдельных точек колеблющейся диафрагмы. Зато на
высоких частотах длина волны становится достаточно малой и все
эти колебания доходят до горла р.упора с различными фазами;
из-за интер-ференции амплитуда колебаний воздуха в ру-
поре заметно уменьшается (см. добавление 6).
Именно для устранения этой весьма нежелательной интерфе-
ренции конструкция головки рупорного громкоговорителя (см.
рис,- 28) и предусматривает радиальные каналы, соединяющие
предрупориую камеру с рупором. Все эти каналы имеют одина-
ковую длину; поэтому волны, идущие по каналам от различных
точек колеблющейся диафрагмы, проходят одинаковые пути и до-
стигают горла рупора с одной и той же фазой.
42
На рис. 32 показана типичная частотная характеристика хоро-
шего рупорного электродинамического громкоговорителя. Резкое
спадание на низких частотах (несколько выше 100 гц) обусловлено
(то есть картины распределения избыточного давления в напра-
влении распространения волны) в начале волнового дви-
жения. Благодаря тому, что волновое распространение сжатий
Рис. 31. К объяс-
нению интерфе-
ренционных яв-
лений Г; предру-
порной камере
Рис. 32. Частотная характеристика ру-
порного электродинамического громко-
говорителя нормального тина
происходит с тем большей ско-
ростью, чем больше степень сжа-
тия, профиль волны, после того
как она пробежит некоторое рас-
стояние, искажается (рис. 33,6).
жатие удаляется от позади ле-
>. ащего разрежения и прибли-
жается к разрежению, бегущему
впереди.
Искажение формы «профиля»
мощной звуковой волны связано
и с изменением формы колеба-
ния, совершаемого частицами
воздуха. Вблизи от синусоидаль-
но колеблющегося излучателя
Рчс. 33. К объяснению искаже-
ния звуковой волны большой
амплитуды
частицы воздуха колеблются также синусоидально; по мере уда-
ления от излучателя меняется и форма колебания, все более и
более уклоняясь от синусоидальной. Такое изменение формы озна-
чает возникновение амплитудного искажения, характеризуемого
тем или иным значением клирфактора.
критической частотой рупора (в данном случае—115 гц); завал
высоких частот (начиная с 4 000 гц) вызван совместным действием
роста инерциального сопротивления подвижной системы и умень
шеиия упругого сопротивления воздуха в предрупорной камере
В области же средних частот (150—4 000 гц) характеристика
имеет очень ровный ход, типичный для хороших рупорных громко-
говорителей.
АМПЛИТУДНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
*Наряду с уже известными нам факторами, вызывающими ампли-
тудные искажения в диффузорных электродинамических громко-
говорителях, мы встречаемся, обращаясь к -мощным рупорным
громкоговорителям, с совершенно особым явлением, которое мо
жет вызвать довольно значительное амплитудное искажение. Это
явление наблюдается при распространении в рупоре звуковой
волны очень большой амплитуды.
Многим, вероятно, случалось видеть, как движутся по поверх-
ности моря большие штормовые волны. Верхушки (гребни) этих
волн движутся несколько быстрее впадн-и; благодаря этому гребни
догоняют лежащие впереди них впадины, причем волновой про-
филь становится на участке между гребнем и впадиной все более
н более крутым. В конечном итоге вода с гребней осыпается во
впадины в виде белых пенистых «барашков».
Аналогичное явление наблюдается и при распространения
звуковой волны большой амплитуды. Максимальные сжатия пере-
мещаются в пространстве быстрее максимальных’ разрежений.
Сжатия. догоняют разрежения, что н приводит к искажению фор-
мы волны. На рис. 33,а показана часть «профиля» звуковой волны
Для того чтобы искажение это, о типа не. превосходило допу-
стимых значений, площадь горла рупора должна иметь не менее
1—2 см2 на каждый ватт акустической мощности, отдаваемой ру-
пору головкой.
Отметим Вкратце важнейшие закономерности, относящиеся к
амплитудным искажениям при распространении мощной звуковай
волны в экспоненциальных рупорах:
1) искажение тем больше, чем больше амплитуда давления в
звуковой волне;
2) искажение тем больше, чем выше частота колебаний. Эта
особенность станет понятной, если вспомнить, что при увеличе-
нии частоты длина волны уменьшается, а вместе с тем умень-
шается н расстояние, которое в начале пробега отделяет сжатие
от бегущего впереди разрежения. Понятно, что на -заданном путч
пробега звуковой волны ее профиль исказится тем больше, чем
меньше расстояние между сжатием и разрежением-
3) искажение тем меньше, чем выше критическая частота ру-
пора. Причина этого заключается в том, что чем выше критиче-
ская частота, тем быстрее расширяется рупор -н, следовательно,
быстрее уменьшается по мере-* пробега амплитуда звукового дз-
вления.
ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ С НАПРАВЛЯЮЩИМ РУПОРОМ
За последние годы широкое распространение (в частности, в
технике звукс»»го кино) получили рупорные громкоговорителя
специального устройства, коренным образом отличающиеся во
конструкции от нормальных рупорных громкоговорителей. Основ-
44
45
иое различие заключается в том, что головка такого громкогово-
рителя представляет собою обычный диффузорный громкоговори-
тель с конусом несколько меньшего размера (как правило, не
больше 15 см в диаметре). На рис. 34 показана схема устройства:
конусный громкоговоритель работает на рупор с большой пло-
щадью входного отверстия; коэффициент акустической траисфор
мации (невелик— площадь горла рупора .всего только в 1,5—-2 ра-
за меньше излучающей поверхности конуса. Приборы такого
типа принято называть громкоговорителями с направляющим
рупором.
Внешний вид направляющего рупора с коробкой для монтажа
громкоговорителя представлен на рис. 35; конечно, это лишь
один из возможных вариантов выполнения.
По сравнению с диффузорными громкоговорителями громкого-
ворители с направляющим рупором дают более высокую отдачу
(порядка 8—10%) и чувствительность (20—25 бар/ вт). Это
является следствием того, чтб наличие рупора, во-первых, повы-
шает сопротивление излучения и, во-вторых, позволяет умень-
шить размеры и массу конуса. Помимо того, нагрузка конуса на
рупор делает излучение передней стороны конуса значительно
более интенсивным, нежели излучение оборотной стороны, аку-
стическая нагрузка которой гораздо меньше; это приводит к бо-
лее рациональному использованию подводимой к громкоговори-
телю мощности, поскольку в целом ряде случаев (и, в частности,
в звуковом кинотеатре) излучение оборотной стороны не может
быть использовано иначе, как при наличии инверсии фазы.
Для более ясного понимания существа дела нужно осветить
подробнее вопрос о роли "акустической трансформации в громко-
говорителях с направляющим рупором. Дело в том, что акусти-
ческая трансформация выполняет свои нормальные функции
(то есть повышает сопротивление излучения рупора) только при
том условии, если излучатель колеблется как жесткое целое.
В обычном рупорном громкоговорителе с металлической диафраг-
мой это условие выполняется в достаточно широком диапазоне
частот; в случае же бумажного конуса о поршневом его действии
можно говорить очень условно, лишь применительно к области
сравнительно ннзкнх частот. При средних и тем более при вы-
соких частотах звук излучается практически только центральной
частью конуса^ причем предрупорная камера ПО' сути дела уже не
играет никакой роли. Поэтому в громкоговорителях с направляю-
щим рупором акустическая трансформация не Может и не должна
обеспечивать преобладания активного сопротивления над инер-
циальным. Смысл ее .применения заключается только- в том, чтобы
при заданной величине акустической мощности уменьшить ампли-
туду колебаний конуса н тем самым снизить амплитудные иска-
жения на низких частотах, где они могут быть значительны.
Отсюда вытекает еще одно преимущество громкоговорителей
с направляющим рупором по сравнению с диффузорными: оги
могут быть выполнены на более значительную мощность и при
этом будут в меныпей степени вносить в звукопередачу- ампли-
тудные искажения.
46
Что касается частотной характеристики громкоговорителей с
направляющим рупором, то она не имеет столь ровного хода, как.
у хороших нормальных рупорных громкоговорителей. Резонанс-
ные колебания гладкого конуса являются причиной целого ряда
неровностей частотной характеристики в области средних и высо-
Рис. 35. Направляющий ру-
пор с коробкой для монт;»-
Рис. 34. Устройство гром-
коговорителя с направляю-
жа головки
щим рупором
Рис. 36. Частотная характеристика громко-
говорителя с направляющим рупором
них частот. Для сглаживания характеристики целесообразно при-
менять гофрированные конуса (ср. стр. 27).
На рис. 36 представлена в качестве примера частотная ха-
рактеристика чувствительности громкоговорителя с направляю-
щим рупором. Критическая частота рупора лежит в данном слу-
чае около 150 гц; гофрированный конус имеет внешний диаметр
15 см; ящик отделан внутри войлоком (для\того чтобы устранить
нежелательное влияние резонансных колебаний воздуха в ящике).
47
Габариты устройства показаны на эскизе (размеры в саыти
’метрах).
Громкоговорители с направляющим рупором широко приме
мяются в современной практике звукового кинопоказа. Можно,
пожалуй, сказать, что эти громкоговорители являются основным
типом кинотеатральной аппаратуры. При вполне удовлетворитель-
ной частотной характеристике оии обладают повышенной чувстви-
тельностью и небольшой величиной клнрфактора; в то же время
они отличаются высокой эксплоатационной прочностью.
Хорошие громкоговорители этого типа (Р-10) выпускаются в
последнее время Тульским радиозаводом; рупоры, выпускавшиеся
заводом Ленкинап, принадлежат к типу направляющих и пред-
назначены для работы с громкоговорителями ГДД-8 и ГДВ-2
(см. таблицу на стр. 50).
ЛАБИРИНТНЫЕ РУПОРЫ
Наряду с типичной конструкцией направляющего рупора (вроде
изображенной на рис. 35) применяются и несколько более слож-
ные формы для сокращения габаритов рупора при заданной осе-
аой длине.
•В качестве примера опишем так называемый л а б « р и и т н ы й
•эупор, выпускавшийся заводом Ленкннап под маркой РСД-2.
Этот рупор, если развернуть его в прямолинейную последова-
тельность отдельных секций, представляет собой ряд звеньев по-
степенно возрастающего сечення, вписывающихся в экспоненци-
альный рупор с критической частотой 52 гц. Развертка
лабиринтного рупора п очертания того экспоненциального ру-
пора, в который ои вписывается, изображены в верхней части
рис. 37. При сворачивании рупора в лабиринт эти звенья
должны соответствовать системе ходов
бириита. Первые пять звеньев разво-
рачиваются в горизонтальной 'плоско-
сти (в верхней части устройства, см.
разрез по А—А на -рис. 37). Проходя
между. перегородками лабиринта, зву-
ковая волна, ход которой представлен
на рис. 37 пунктиром, несколько раз
меняет направление движения. После
прохода пятой секции волна переходит
в нижнюю часть лабиринта (см. раз-
рез по Б—Б), где ходы между пере-
городками образуют три последних
звена лабиринтного рупора, разворачи-
вающихся уже в вертикальной плоско-
сти. Для удобства сопоставления
звенья обозначены одними и теми же
цифрами как на развертке, так и на
двух разрезах (см. рис. 37).
- Лабиринтным рупором целесообраз-
но нагружать оборотную сторону ко-
нуса, на долю которой при этом па-
дает в основном излучение низких
частот. Излучение высоких частот че-
рез лабиринт не может быть эффек-
тивным, так как многократные отраже-
ния, претерпеваемые волнами малой
.теины от перегородо-к, -сопровождаются
вредными интерференционными явлениями
довольно значительные потери мощности.
между перегородками ла-
Рис. 38. Рупор-компаунд
РСД-1
н влекут за собою
Поэтому излучение
высоких частот приходится -на долю передней стороны конуса,
работающей на неограниченную среду.
Можно несколько улучшить' передачу -высоких частот, нагрузив
к переднюю сторону конуса рупором, который прн довольно вы-
сокой критической частоте (до нескольких сот герц) может иметь
' -очень небольшой размер.
Устройство такого рода, представляющее собой комбинацию
лабиринтного низкочастотного- рупора и небольшого высокочастот-
ного рупора , с прямолинейной осью, представлено иа рнс. 38;
это — так называемый рупор-компаунд, выпускавшийся за-
водом Ленкинап под маркой РСД-1.
Следует, однако, отметить, что лабиринтные рупоры не оправ-
дали первоначально возлагавшихся на них надежд. Величина их
сопротивления излучения в области нижних частот невелика и
имеет к тому ж-е довольно неровную частотную характеристику.
В производственном отноше'нии лабиринтные рупоры неудобны.
Даже незначительные неплотности в пригонке переборок, обуслов-
ленные высыханием дерева, вызывают заметное ухудшение пере-
дачи низких частот. Поэтому лабиринты должны изготовляться
очень тщательно, из выдержанного сухого материала. Этим объ-
ясняется то обстоятельство, что завод Ленкннап перешел в свое
48
4 В. В. Фурдуев
время на использование фазоинвертеров, приспособив для них
ящики от рупоров РСД-2; эти инвертеры имеют марку РСД-2М
и по внешнему виду ничем не отличаются от рупоров РСД-2.
МОДЕЛИ ФАБРИЧНЫХ РУПОРОВ
В таблице на стр. 50 приводятся данные о направляющих
pvnopax, выпускавшихся заводом Леикинап для работы с голов-
ками ГДД-8 и ГДВ-2.
НАПРАВЛЕННОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ РУПОРОВ
Одним из очень существенных достоинств рупорных громкого-
ворителей по сравнению с диффузорными является направлен-
ность излучения, довольно ясно выраженная даже при очень низ-
ких. частотах (конечно, если оконечное отверстие рупора имеет
достаточно большую величину). Кроме того, направленность излу-
чения рупора не так сильно меняется с частотой, как направлен-
ность диффузорных громкоговорителей. Наличие болге или менее
ясно выраженной направленности излучения, сохраняющей по-
стоянство своей характеристики в возможно более широком диа-
пазоне частот, является весьма ценным- свойством излучателя:
оно дает возможность направить прямую звуковую энергию на
зрительские места, до известной степени устраняя совершенно
бесполезный разброс акустической мощности по поверхности,
ограничивающей зрительный зал.
Повышение остроты направленности излучении рупора связано
с большими размерами его устья, играющего роль акустического
излучателя. Для того чтобы форма характеристики направлен-
ности не менялась в возможно более широкой области частот,
размеры оконечного отверстия должны иметь вполне определен-
ную величину, тем большую, чем ниже критическая частота ру-
пора. Как показывает опыт, размеры устья (диаметр или сторо-
на) должны быть в 3—3,5 раза меньше длины звуковой волны
на критической частоте рупора.
4*
Глава IV
ГРОМКОГОВОРЯЩИЕ АГГРЕГАТЫ
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ЧАСТОТ
При проектировании громкоговорителей зачастую приходится
сталкиваться с тем обстоятельством, что условия, обеспечиваю-
щие хорошее воспроизведение одной части диапазона звуковых
частот, стоят в резком противоречии с требованиями, возникаю-
щими из необходимости одновременно воспроизводить п другую
его часть. Эти противоречия выдвигаются с особой отчетливостью,
когда мы сопоставляем условия хорошей передачи низких и вы-
соких частот при сколько-нибудь значительной мощности громко]
говорится я.
Рассмотрим в качестве первого примера конусный электроди-
намический громкоговоритель.
Заметим прежде всего, что на область низких частот прихо-
дятся довольно значительные пики акустической мощности, для
неискаженного воспроизведения этих пиков нужно придавать ко-
нусу большие размеры, снижая тем самым те максимальные
амплитуды колебаний, при которых возникают недопустимые
амплитудные искажения,. При большой мош,ноет и диффузор боль-
шого размера должен быть очень прочным, чтобы обеспечить
поршневое действие; наряду с увеличением размеров повышение
прочности также приводит к утяжелению конуса. Наконец, прв
значительной величине подводимой на низких частотах электри-
ческой мощности звуковая катушка должна иметь, большую по-
верхность охлаждения (не меньше 1,5—2 си2. на каждый ватт
подводимой мощности) с тем, чтобы повышение температуры не
превысило допустимых пределов, за которыми может произойти
повреждение изоляции и даже сгорание катушкн. Таким образы»
подвижная система, рассчитанная на воспроизведение низких ча-
стот, должна иметь соответственно большую массу.
Напротив, для хорошей передачи высоких частот нужен не-
большой легкий конус, обеспечивающий при преобладающем влия-
нии инерциального сопротивления подвижной системы, возраста-
ние сопротивления излучения с квадратом частоты вплоть до
возможно более высоких частот. Одновременно с этим н звуковая
катушка должна иметь небольшую массу. Поскольку на область
высоких .частот приходится очень небольшая мощность (около 5%
от общей никовой мощности), постольку здесь мы не встречаем
факторов, препятствующих уменьшению размеров н массы подвиж-
ной системы. Эти факторы ограничивают свободу конструктор*
только потому, что на конус одновременно возлагаются я функ-
ции излучателя низких частот.
Еще более отчетливы указанные, противоречия в случае нор-
мального рупорного громкоговорителя.
Во избежание амплитудных искажений, связанных с распро-
странением в рупоре мощной звуковой волны, площадь горла ру-
пора должна быть, как уже указывалось, достаточно большой.
Так как размеры подвижной системы ограничены конструктивны-
ми соображениями, то увеличение их сверх некоторой величины
оказывается затруднительным; поэтому коэффициент акустической
трансформации обязательно должен иметь небольшую величину.
Желательное соотношение между сопротивлением излучения ру-
пора и инерциальным сопротивлением подвижной системы в об-
ласти низких частот легко при этом выдерживается, тзк как в
нижней части частотного диапазона инерциальное сопротивление
подвижной системы невелико.
Излучение сколько-нибудь значительной акустической мощности
на низких частотах связапо с большими амплитудами диафрагмы
сравнительно малых размеров. Для того чтобы колебательное
смещение диафрагмы могло «уместиться» в предрупорной камере
(без опасности удара диафрагмы о переднюю стенку камеры),
последняя должна иметь большой объем. Правда, при этом рез:-о
уменьшается упругое сопротивление воздуха в предрупорной ка-
мере; однако это совершенно пе опасно, так как в области низких
частот это сопротивление все же достаточно велико по сравне-
нию с сопротивлением излучения рупора *.
Совсем иначе обстоит дело в области высоких частот.
Здесь инерциальное сопротивление подвижной системы очень
значительно; поэтому для получения высокой отдачи необходимо
иметь очень большое активное сопротивление, что достигается
применением акустической трансформации с высоким коэффициен-
том. “Ч
Повышение же коэффициента акустической трансформации
может быть достигнуто только за счет уменьшения площади горла
рупора, в противном случае увеличение размеров диафрагмы при-
вело бы к нежелательному возрастанию массы подвижной си-
стемы. ;
Поскольку в области высоких -частот отдаваемая рупору
акустическая мощность даже ни ликах достаточно мала, постоль-
ку уменьшение площади горла рупора ие вызывает возражений,
если только рупор одновременно не рассчитывается на воспроиз-
ведение низких частот. К тому же, если ограничиться только пе-
редачей высоких частот, роль амплитудных искажений может
быть резко снижена выбором высокой критической частоты ру-
пора (ср. стр. 45). ;
Что касается предрупорной камеры, то для обеспечения тре-
буемой величины упругого сопротивления воздуха на высоких ча-
стотах камера должна иметь минимальный объем. Это может
быть конструктивно допущено только в том случае, когда ампли-
туды подвижной системы остаются малыми, то есть когда громко-
говоритель не рассчитывается на передачу низких частот.
• Для уяснения роли упругого сопротивления воздуха в предрупорной
камере полез го возобновить в памяти механиче скую схему работы диафрагмы
»а рупор с предрупорной камерой (рис. 30).
52
53
АГГРЕГАТЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ
Как оказывается, условия, гарантирующие удовлетворительное
воспроизведение низких н высоких частот, стоят в трудно прими-
рнмом противоречии друг с другом. Интерес, предшествующих
рассуждений заключается, однако, не только в том, что они
вскрывают это противоречие; гораздо существеннее то обстоя-
тельство, что нз ннх выясняется возможность воспроизведения
широкой полисы частот при надлежащем разделении ее между
несколькими громкоговорителями различного устройства.
В простейшем случае рабочая полоса частот делится между
двумя громкоговорителями, один из которых воспроизводит толь-
ко низкие частоты до какой-нибудь определенной границы и совер-
шенно не рассчитывается на передачу высоких частот; воспроиз-
ведение же высоких частот, начиная с выбранной границы, осу-
ществляется вторым громкоговорителем, который Зато уже не
должен воспроизводить низких частот. При этом каждому из
громкоговорителей можно придать конструкцию, обеспечивающую
хорошее качество передачи соответствующей узкой области частот,
не заботясь о подыскании компромисса, необходимость которого
диктуется (в случае одного-единствениого громкоговорителя) тре-
бованиями, связанными с воспроизведением широкой полосы.
Комбинации из нескольких (минимально — двух) громкоговори-
телей различного устройства, между которыми делится частотный
диапазон, 'называются громкоговорящими iarrp era! ам-и.
Если полоса частот делится на две части (низкие и высокие- ча-
стоты), то аггрегат называется двухзвенным или двухэле-
ментным, независимо от того, сколько однотипных громкогово-
рителей обслуживает каждую из частей диапазона/ В настоящее
время в технике звукового кино применяются почти исключительно
двухзвениые аггрегаты.
КОМПЛЕКТОВАНИЕ ДВУХЗВЕННЫХ АГГРЕГАТОВ
Двухзвенные аггрегаты комплектуются, как правило,, громкого-
ворителями рупорного типа. Применение (в качестве низкочастот-
ных элементов) диффузорных громкоговорителей в щитах очень
больших размеров не может считаться оправданным, поскольку
увеличение числа низкочастотных громкоговорителей, необходи-
мое для обеспечения требуемой акустической мощности, значи-
тельно повышает стоимость аггрегата.
Наиболее распространенным типом низкочастотного элемента
является конусный громкоговоритель, работающий на свернутый
(в целях сокращения габарита) низкочастотный .рупор. Как самый
громкоговоритель, так и рупор имеют специальное устройство,
рассчитанное на наилучшее воспроизведение низких частот звуко-
вого диапазона.
Разрез одной из типичных конструкций низкочастотного рупора
показан схематически на рис. 39; 'направление распространения
звуковой водны в рупоре показано пунктиром. Из чертежа Ьидао,
чтО" устройство представляет собою сильно упрощенный Лабиринт-
ный рупор, трн секции которого образованы вкладышем; внутрен-
няя часть вкладыша, обращенная к громкоговорителю, имеет
форму волнореза, а внешняя часть вместе с боковыми, стёигямп
54
образует широко расходящееся устье рупора. Рупоры такого
типа» выпускались заводом Ленкннап под марками РНД-2
^большая модель) и РНД-3 (малая модель).
Низкочастотные головки представляют собой конусные громко;
г-оворители более, илн менее обычного типа; так, например, завод
Ленкинап комплектовал низкочастотные рупоры нормальными го-
ловками ГДД-8. Однако такое решение вопроса нельзя признать
правильным. Дело в том, что при передаче широкой полосы
частот (аггрегатом в целом) допуски иа амплитудные искажения
должны быть, как показывает опыт, гораздо более строгими, не-
жели обычно; можно полагать, что высокое качество звукопере-
дачи в очень значительной степени зависит от большой неискажен-
ной мо'щности, отдаваемой громкоговорящим устройством на низ-
ких частотах. Для излучения большой акустической мощности на
низких частотах нужно, чтобы конус имел большие размеры
(ср.- стр. 52); с другой стороны, поскольку амплитуда. колебаний
все же остается довольно значительной, низкочастотный элемент
должен-иметь крепежные детали (внешнее, кольцо и центрирую-
щую шайбу), линейно работающие вплоть до очень больших
амплитуд колебаний. Поэтому .специальные низкочастотные головки
должны удовлетворять повещенным требованиям, -которым, как
правило, не соответствуют обычные конусные громкоговорители.
высокочастотные элементы двухзвенных аггрегатов предста-
вляют собою громкоговорители электродинамического типа с иор4
мильным или -направляющим рупором.
Механизмы .высокочастотных элементов представляют собою
либо конусные головки уменьшенных размеров, либо же головки
нормального для рупорных громкоговорителей типа с металличе-
ской диафрагмой и высоким -коэффициентом акустической транс-
формации. | .
Что т^сается рупоров, то для высокочастотных элементов чаще
всего -применяются так называемые с екц и о и и р о в а и й ы е ру-
поры, устройство которых видно из рнс. 40. Секционированный ру*
ябр представляет собою совокупность, большого числа экспонен-
циальных рупоров, оконечные отверстия которых образуют много-
гранную излучающую поверхность, приближающуюся по форме к
сферической; направляющий рупор, изображенный на рис. 40,
Данный об этих рупорах даны в Таблице на стр. 50.
55
меет, например, 9 секций. Секционирование рупора имеет цель»
обеспечить более или менее равномерную направленность излуче-
ния ® полосе воспроизводимых частот. Хотя направленность каж-
дого отдельного канала секционированного рупора и обостряете®
пачок, с одной стороны, ^обеспечивает жесткость каркаса звуковой-
катушки (отсюда и название «колпачок жесткости»), а с другой,
стороны, защищает зазор от попадания пыли. Помимо того, нали-
чие колпачка увеличивает излучающую поверхность диффузора,,
что особенно важно на высоких частотах, где внешние части гоф-
высокочастотный рупор
Рис. 41. Головка ГД В-2
Рис. 42. Деталь сопряже-
ния головки ГД В-2 с вы-
сокочастотным рупором '
Рис. 43. Двухзвгп-
ный аггрегат PG-140
(американской
фирмы RCA) мощ-
ностью 40 am
Рис. 44. Устройство высо-
кочастотной голдвин «Лан-
синг № 2Ь5»:7—звуковая ка-
тушка, 2—диафрагма, о’-пред-
рупориая камера, 4—ради-
альные каналу, 5—начало
рупора, С—катушка возбу-
ждения
/
« частотою, но зато угол, в котором расходится излучаемой всеми1
каналами звуковая энергия, определяется веером осей'отдель-
ных каналов, что и обеспечивает возможность равномерного рас-'
иределения высоких частот по площади мест.
В качестве головки, предназначенной для работы с направляю-
щими высокочастотными рупорами, мы имеем конусный громкого-
ворителе ГДВ-2 (Ленкинап) с диффузором диаметром 22 см, снаб-
женным кольцевой гофрировкЬй. Центрирующая шайба громкого-
ворителя выполнена в виде гофрированного диска из бакелизи-
роваиной редкой ткани. Внутренняя часть конуса несет на' себе
алюминиевый сферический колпачок диаметром 4,5 см; этот кол-
рированного диффузора (выключаются из работы (ср. стр. 27,Ь.
Для присоединения к рупору головкй ГДВ-2 (рис. 41) снабжается?
так называемым «адаптером», который представляет собою литую
деталь (рис. 42), образующую одновременно предрупориую камеру
с небольшим (около двух) коэффициентов акустической трансфор-
мации. .
Нельзя не отметить, что головка ГДВ-2 по существу дела не
является специальной высокочастотной головкой, поскольку завод
предназначал ее не только для работы в аггрегатах, но и для
отдельного использования (например, в лабиринтных рупорах РСД-1
И РСД-2). Поэтому ее конструкция отражает целый ряд компро-
миссов, продиктованных стремлением к возможно более универ-
сальному использов'анню серийной продукции.
56-
57
•Современны© ямерНьдискда. двухзггеиьые дггрегаты, один из
ьаибсле . гаспЦос^аИ№"1Л . данов которйх изображен на рис. 43,
имеют высоко асто. чые головки специальной конструкций (как
.правило, с металлическими диафрагмами), работающие _с секцио-
...ироваиными высокочастотными рупорами. Разрез такой высоко-
частотной головки дан схематически на рис. 44.
РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ
До снх пор, рассматривая устройство элементов аггрегрта, мы
мс затрагивали вопроса о том, каким образом подводимая к аг-
грегату электрическая мощность делится между его элементами.
А вместе с тем прн разделении мощности нужно удовлетворить
вполне определенным условиям, несоблюдение которых может по-
влечь за собою выход из строя высокочастотных громкоговорите-
лей. Действительно, для обеспечения хорошей передачи высоких
частот громкоговоритель должен иметь устройство, совершенно не
рассчитанное на то, чтобы выдерживать относительно очень боль-
шую мощность, приходящуюся на .низкие частоты. Поэтому При
присоединении аггрегата к оконечному каскаду мощного усилите ля
необходимо предусмотреть устройство, которое защищало бы вы-
сокочастотные элементы от токов низкой частоты, мощное кото-
рых значительно шревосходит предельную допустимую нагрузку
•высокочастотных громкоговорителей. С другой стороны, нужм
предотвратить и подведение высокочастотных колебаний к, низко-
частотным элементам; так как. эти последние не могут воспроиз-
водить высоких частот, то подведение к ним токов повышенно.’
частоты означало бы совершенно непроизводительную растрату
мощности, а значит, и снижение отдачи всего аггрегата в Целом.
Устройства, посредством которых отдаваемая ус лителем мощ-
ность делится между элементами аггрегата,. вы jp паяются в виде
электрических фильтров с двумя входными и четырьмя выход-
ными зажимами. Эти фильтры называются разделительными.
Две, простейшие схемы разделительных фильтров изображены
на рис. 45. На схеме рис. 45,а низкочастотный элемент зашучт.г-
роваи конденсатором, а высокочастотный элемент—дросселем. На
схеме рис. 45,6 дроссель включается последовательно с низко-
частотным, а конденсатор — последовательно с высокочастотным
элементом. Обе схемы различаются между собою только тем . что
в первой из них элементы аггрегата соединяются Между собою
последовательно, а во второй — параллельно. В обеих схемах вы-
сокочастотный элемент защищен от низких частот последовательно
включенной емкостью. Подведение же высокочастотных1 колебаний
•и низкочастотному элементу предотвращается дросселем *, вклю-
ченным последовательно с ним.
Более «чистое» разделение высоких и низких частот гголуч. ытся
при некотором усложнении схем: низкочастотный элемент наряду
•с шунтирующим конденсатором блокируется еще и последова-
тельно включенным дросселем, тогда как высокочастотный эле-
* Напомним, что емкогтное сопротивление конденсатора падает с часто гой,
тогда как индуктивное сопротиЬлеиие„дросселя увеличиваегся с возрастани-
ем частоты. . ,
мент,плакируется конденсатором ч шунтируется дросселе!., ^’слож-
пеннке схемы итого типа изображены на рис. 46;- этг. схемы
чаще' всего и применяются в громкоговорящие аггрегатах.
Характеристики разделительных фильтров, по которым можно
еу-Чит о степени «чистоты» разделения полосы частот, строятся
< “едующим образом. По горизонтальной оси откладывается часто*
Рис, 45. две простейшие схемы разделительных
фильтров
та (в относительных единицах, причем за единицу принимается
так называемая частота разделения, о которой будет сказано
ниже); по вертикальной оси откладывается выраженное в децибе-
лах ослабление тока (или напряжения) при прохождении от
родных.: зажимов фильтра к выходным. Две кривые, изображае-
мые нс таком графике, дают ослабление высоких частот на клем-
мах низкочастотного элемента и ослабление низких \ частот на
клеммах высокочастотного элемента.
схемы разделительных
Рис. 46. Более сложные
фильтров
Ь качестве примера на рис. 47 представлены характеристики
разделительных фильтров,' с обрайных по схемам рис. 46. За еди-
ницу частоты здесь принята частота пересечения кривых, на кото-
рой подводимая к аггрегату мощность делится между элементами
аггрегата поровну; это—ч астота разделения полосы, то есть
59
Рис. 47. Характеристика
разделительного фильтра
тизиа среза пе должна.быть л
граница между областями работы высокочастотного и низкоча-
стотного элементов*. Цифра 3 дб, характеризующая ослабление
(как низких, так и высоких частот) на частоте разделения, озна-
чает, что каждый из элементов получает здесь половину
общей мощности. Степень разде-
ления высоких и низких частот
(то есть частот, лежащих выше и
ниже частоты разделения) харак-
теризуется к р у т и з н о и с р е з а;
под этим термином понимают чи-
сло децибелов, измеряющее п р п-
р о с т ослабления при из-
менении частоты на октаву**
вверх или вниз от частоты разде-
ления. Нд рис. 47 крутизна сре-
за составляет 9,3 дб на октавт.
Опыт показывает, что для на-
дежной работы аггрегата кру-
пьше 10—12 дб на октаву; такизг
образом фильтры по схеме рис. 46 дают крутизну среза, только-
только приближающуюся к минимально необходимой цифре.
В связи с этим следует заметить, что эти Лильтры обладают
зато весьма важным свойством: их входное сопротивление н е за-
висит от частоты***. Расчет показывает, что при условии
иостоянства входного сопротивления схемы рис. 46 не могут дать
крутизны среза, превышающей 9,3 дб на октаву (более простые
схемы рис. 45 дают при том же условии всего 4 дб на октаву).
Таким образом повышение крутизны среза оказывается возмож-
ным только в том случае, если отказаться от постоянства вход-
ного сопротивления , фильтра. При этом крутизна среза схем, изо-
браженных па рнс. 46, может быть повышена примерно до .18 дб
а октаву при условии надлежащего соотношения между входным
сопротивлением фильтра н выходным сопротивлением усилителя.
* Для двухзьеныых аггрегатов частота разделения обычно выбирается в
области 500—800 гц.
** Две частоты отделены интервалом в октаву, если одна из них вдвое
,больше (или вдвое меньше) другой.
*** Если, конечно, сопротивление элементов аггрегата не зависит от
частоты»
Глава V
АКУСТИКА ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
АКУСТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Если в пустом помещении достаточно больших размеров со-
здать звуковой импульс,— например, хлопнуть в ладони, — те
звук исчезнет не сразу; прислушавшись, мы сможем проследить
процесс постепенного замнрання звука, процесс отзвука, как
мы его будем называть в ладнейшем. В зависимости от вели-
чины помещения и от его способности поглощать звук, прбцёсс
отзвука может происходить более или менее длительно. К объ-
яснению этого явления можно подойти с двух точек зрения.
Во-первых, можно представлять себе дело таким образом: зву-
ковой импульс, являющийся некоторым возмущением воздуха, рас-
пространяется от места своего возникновения во всевозможных
направлениях; каждый раз, когда ои встречает на своем пути
отражающее препятствие — стены, пол, потолок и т. д.,—он отра-
жается, теряя при отражении часть своей энергии. Звуковая энер-
гия будет существовать в помещении в течение некоторого вре-
мени, пока после очень большого числа отражений она не превра-
тится полностью в тепло. При этом ухо будет воспринимать звук
до тех пор, пока его сила не упадет до порога слышимости. Мы
можем представать себе наглядную модель явления, вообразив
биллиардный шар, которому дан начальный толчок; шар будег
двигаться, отражаясь во всевозможных направлениях от бортов
до тех пор, пока сообщенный при толчке запас энергии не израс-
ходуется полностью благодаря трению о сукно и потерям энергив
при отражении от бортов.
Во-вторых, можно утверждать, что объем воздуха, замкнутый
внутри помещения, представляет собой колебательную систему.
Звуковой импульс, нарушив равновесие системы, заставляет ее со-
вершать собственные колебания, затухающие с большей илв
меньшей скоростью в зависимости от величины потерь энергив
(См. добавление 7). С этой точки зрения воспринимаемый нами
отзвук представляет собою результат воздействия на ухо затухаю-
щих" колебаний" воздушного объема. Упрощенной моделью явления
может служить замирающий звук струны, возбужденной началь-
ным толчком.
На первый взгляд должно показаться, что эти две точки зре-
ния полностью исключают друг друга. Вероятно, далее, что первая
точка зрения, объясняющая отзвук многократными отражениями
звукового импульса ст ограничивающих помещение поверхностей,
покажется более правдоподобной. Ведь в процессе отзвука мм
слышим^ именно замирающий звук хлопка с его характерными
61
особенностями, а вовсе не музыкальный тон струны. Это- сообра-
жение можно даже подкрепить опытом, меняя форму звукового
импульса: если вместо хлопка давать начальному нмпульсу форму
например, короткого свиста или гласного звука, то легко убе-
диться, что отзвук сохраняет все существенные особенности
начального звука.
Однако эта соображения еще не решают вопроса. Дело в том,
что объем воздуха в закрытом помещении представляет собой
колебательную систему, многочисленине__Сйбйтвениые частоты кото-
рой отделены друг от друга очень малыми интервалами, особенно
в области тех частот, где длина волны невелика по сравнению с
размерами помещения. Достаточно заметить, что даже в сравни-
тельно небольшом помещении объемом в 100 м3 число собствен-
ных частот, лежащих в интервале от 500 до 510 гц, близко к 80;
в помещении объемом в- 1 000 м3 это число возрастает до 800
(число собственных частот, приходящихся на заданный интервал,
пропорционально, как показывает расчет, объему помещения).
Очевидно, что при столь «плотном» спектре собственных частот
звуковой импульс любого состава, любой формы вызовет затухаю-
щие колебания воздуха на собственных частотах, практически со-
впадающих с частотами, входящими в состав начального импульса.
Поэтому не приходится удивляться тому, что отзвук повторяет
форму возбуждающего, нмцульса.
Мы видим теперь, что можно с большим основанием принять
и ту точку зрения, согласно которой отзвук представляет собою
собственные затухающие колебания воздушного объема. Но суще-
ству дела между этой точкой зрения и той, на которую мы склонны
были стать первоначально, принципиального различия нет. Дей-
ствительно, собственные колебания воздушного объема в закры-
том помещении сводятся к сложной картине стоячих волн,
имеющих вполне определенные частоты. Если возможные частоты
этих волн отделены друг от друга достаточно тесными интерва-
лами, то представление о начальном импульсе, претерпевающем в
процессе отзвука многократные отражения, совершенно правильно
изображает картину .собственных колебаний воздушного объема.
Акустические процессы в закрытых помещениях, не ограничи-
ваются, конечно, процессами отзвука. При длительной работе ис-
точника звука в помещении устанавливается звуковое поле, в кото-
ром частоты колебаний уже совершенно строго (а не только
приближенно) совпадают с Частотами источника звука. В установив-
шемся режиме мы имеем тогда чисто вынужденные колеба-
ния, энергия которых определяется, с одной стороны, мощностью
источника звука, а с другой-—способностью помещения поглощать
звук. Распределение амплитуд и фаз вынужденных колебаний в
закрытом помещении отличается исключительной сложностью. При
современном состоянии наших знаний мы должны совершенно от-
! казаться от их расчета. Есе, что мы можем сделать, сводится
‘ только к ДэаЬчету $бщегр §апаса 'звуковой 'энергии в помещечни
Такое "положение вещей не представляет, однако, сколько-нибудь
серьезных практических неуДобств, поскольку в условиях звучания
речи и музыки мы наблюдаем в помещении главным образом
устанавливающиеся, а не установившиеся процессы. Зато длитель-
ность установления режима и—в первую очередь — длителыюстт
процессов отзвука имеет первостепенное практическое «паление
определяя акустические качества помещения, предназначенного для»
слушания речи и музыки. Это станет понятным, если мы вспом-
ним, что при каждом изменении амплитуд и частот воспроизводи-
мого в помещении звука неизбежно будут возбуждаться и соб-
ственные колебания воздушного объема; при чрезмерно медленном
их затухании каждый новый импульс, например,' каждый новый
слог речи, будет восприниматься '.слушателями на фоне целого
ряда предшествующих импульсов, еще не , успевших отзвучать
к -моменту излучения очередного импульса.
Расчет длительности процессов отзвука, существеннейшим обра-
зом влияющих на качество воспроизведения музыки н в особен-
ности речи в закрытых помещениях, н составляет основное содер-
жание архитектурной акустики. Очевидно, что и каче-
ство воспропзведепгш звукового кинофильма зависит не только от
качеств записи и воспроизводящего электроакустического тракта,
но еще н от акустических свойств зрительного зала. Поэтому
ознакомление с акустикой закрытых помещений является совер-
шенно необходимым для техники звукового кино.
НАРАСТАНИЕ ЗВУКА И РЕВЕРБЕРАЦИЯ
Изучая установление акустического режима и отзвук в закры-
тых помещениях, мы не будем заниматься исследованием распре-
деления амплитуд и фаз колебания в различных толках помеще-
ния; как уже отмечалось, такое исследование затруднительно и
не представляет особого интереса. В соответствии с этим мы бу-
дем^ характеризовать звуковое поле в закрытом помещении сред-'
чей плотностью звуковой энергии, то есть энергией,}
-одержащеися в тот пли иной момент времени в единице объема
(например, в 1 м3) помещения. Эта величина может быть уверенно
рассчитана даже и в тех случаях, когда мы ие зиаем деталей,
картины интерференции очень большого числа волн, претерпевших
многократные отражения.
Мы займемся выяснением следующих вопросов:
1) как происходит процесс нарастания звуковой энергии в по-
мещении после включения источника звука;
2) как происходит процесс постепенного исчезновения звуковой
энергии из помещения после выключения источника звука.
При рассмотрении этих вопросов Надлежит иметь в виду, что
всякое закрытое помещение обладает, как уже упоминалось, спо-
собностью поглощать звук, то есть превращать звуковую энергию
в теггао. Величины, определяющие это поглощение, мы рассмотрим
позже; пока достаточно знать, что при каждом отражении волна
отдает часть своей энергии отражающей поверхности, приводя ее
® колебания, энергия которых превращается в тепло в результате
внутреннего трения. -- у
, Представим себе, 'что в некоторый момент времени мы вклю-
гаем источник звука, развивающий определенную акустическую
мощность, то есть ежесекундно отдающий в помещение определен-
ное количество звуковой энергии. Начиная с этого момента запас
Ьвуковой энергии в помещении будет -возрастать, так как все но-
рне и новые ее количества будут доставляться источником звука.
Однако, как только в помещении появится звуковая энергия, так
тотчас она начнет и поглощаться. По мере увеличения общего
€2
запаса энергии будет увеличиваться и количество ежесекундно
-поглощаемой энергии. Действительно, чем больше энергии накап-
ливается в помещении, тем большие ее количества будут падать
на отражающие поверхности и, следовательно, тем больше энергии
будет поглощаться при каждом отражении. Поэтому запас звуко-
вой энергии будет возрастать .сначала очень быстро, а затем все
медленнее и медленнее. В конце концов наступит установившееся
состояние. Количество энергии, излучаемой источником звука,
сравняется с количеством поглощаемой энергии и дальнейшее ее
возрастание прекратится. Время, в течение которого запас звуко-
вой энергии в помещении (а значит, и средняя ее плотность) уве-
.личивается, мы будем называть временем нарастания звука:
после окончания процесса нарастания звука наступает устано-
вившийся, или иначе, стационарный режим.
Выключим теперь источник звука; другими словами — прекратим
яодачу звуковой энергии в помещение. Благодаря непрерывно про-
исходящему поглощению общий запас звуковой энергии, уже ле
пополняемый работой источника звука, начнет уменьшаться: сна-
чала быстро, а затем, по мере уменьшения запаса, все медленнее
и медленнее. Убывание средней плотности звуковой энергии ха-
рактеризует процесс отзвука, или, как его иначе называют, про-
цесс реверберации.
Очень наглядная модель интересующего нас явления изобра-
жена па рис. 48. Сосуд, по высоте которого прорезана щель,
ставится под кран. После открытия крана вода наполняет сосуд,
и одновременно часть поступающей воды выливается через щель.
В начале процесса, пока уровень воды в сосуде невысок, воды
зыливается мало; .приход превышает расход, и уровень повы-
Рис. 48. Модель
явлений параста-
лия звука и от-
звука
Рис. 49. Процессы нарастания звука
и отзвука: физическая картина (а)
и рубьективное восприятие (б)
ищется. По мере повышения уровня увеличивается и количество
выливающейся в единицу времени воды; уровень се поднимается
все медленнее и медленнее. Наконец приход и расход воды ста-
новятся равными друг другу; уровень, достигнув известной высо-
ты, более не поднимается. Этот процесс соответствует нараста-
64
вию звука до установившегося состояния. Закроем теперь кран.
Вытекание воды через щель после прекращения ее притока вле-
чет за собою постепенное понижение уровня. Пока в сосуде
много воды, ее расход че-
рез щель велик и уровень
опускается быстро; по ме-
ре понижения уровня ско-
рость расхода воды умень-
шается и уровень опускает-
ся медленнее. Этот процесс
соответствует отзвуку или
реверберации.
Графическое изображе-
ние процессов нарастания
и замиран-ия звука дано
на рис. 49,а. Поднимаю-
щаяся часть кривой пока-
зывает увеличение средней
плотности звуковой энер-
гии после включения ис-
точника звука. В момент, Рис. 50-' Нарастание звука и отзвук
отмеченный цифрой 1, до- в помещениях с различной ревер-
стигается установившееся берацией
состояние, в котором плот-
ность энергии сохраняет
постоянное значение. В момент, отмеченный цифрой 2, происходит
выключение источника; начиная с этого момента плотность зву-
ковой энергии падает.
Если мы прислушаемся к тому, как происходят процессы на-
растания звука и отзвука, то, несомненно, заметим, что, в то время
как последний процесс отчетливр воспринимается в виде плав-
ного замирания звука, процесс нарастания не воспринимается
вовсе: при самом внимательном наблюдении нельзя отрешиться
от впечатления, что акустический режим устанавливается в по-
мещении немедленно после включения источника звука. Причина
этого различия заключается в том, что ухо реагирует только на
относительные изменения плотности звуковой энергии;
поэтому для того, чтобы получить правильное представление о
слуховом восприятии процессов нарастания звука и реверберации,
нам придется перестроить график, откладывая по вертикальной
оси отрезки, соответствующие возрастанию плотности энергии в
определенное число раз. Другими словами — плотность звуковой
энергии нужно выразить в децибелах (см. добавление 1) Это и
сделано на рис. 49, б. Сравнивая графики а и б. мы сразу же за-
мечаем, что процесс нарастания уровня звука (децибелы) происхо-
дит очень быстро; зато процесс отзвука изображается плавно
опускающейся прямой линией, наклон которой и определяет дли-
тельность реверберации.
На рис. 50 изображены (в тех же двух формах) процессы на-
растания и замирания звука в помещениях с различной длитель-
ностью реверберации (кривая 1 соответствует помещению с наи-
большей длительностью отзвука, кривая 3 — помещению с корот-
ким отзвуком). На рис. 50, а, изображающем физическую кар-
5 В. В. Фурдуев
65
тину процессов, бросается в глаза резкое различие в ходе нара-
стания звука; напротив, кривые спада очень быстро сливаются
друг с другом. Совершенно иную картину дает рис. 50,6, изобра-
жающий ход изменения уровня звука (в децибелах): процессы
нарастания здесь практически не отличаются друг от друга,
тогда как кривые отзвука соответствуют отчетливо различимым
процессам.
Теперь должно стать ясным, почему при изучении акустики
закрытых помещений мы обращаем главное внимание на д л и-
дельность процессов отзвука; явления нарастания не
оказывают сколько-нибудь существенного влияния на восприятие
речи и музыки в закрытых помещениях.
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
Прежде чем перейти к формулировке законов реверберации,
нам придется познакомиться со способами количественной оценки
поглощения звука, которое, как мы уже знаем, существенным
образом влияет па длительность отзвука.
Представим себе сначала, что в помещении имеется откры-
тое окно. Звуковая энергия, упавшая на это окно, уже не
отразится обратно в помещение; ома безвозвратно покинет поме-
щение, рассеявшись в неограниченном внешнем пространстве. Та-
ким образом поверхность окна может считаться полностью
поглощающей звук п о в е р х н о с т-ъ ю.
Пусть теперь звук падает па какую-либо поверхность, погло-
щающую только часть падающей энергии и отражающую
остальную энергию обратно в помещение. Выделим мысленно на
этой поверхности площадь, равную площади открытого окна.
Очевидно, что эта площадь поглотит меньшее количество звуковой
энергии, нежели равная ей площадь открытого окна. Отношение
энергии, поглощенной некоторой площадью отражающей поверх-
ности, к анергии, поглощенной такой же площадью открыток1
окна (или. что то же самое, к энергии, упавшей на отражаю-
щую поверхность), называется коэффициентом п о г л о щ е-
п и я данной поверхности. Таким образом коэффициент поглоще-
ния есть отвлеченное число, указывающее, какая доля квадрат-
ного метра открытого окна поглощает \ столько же звуковой
энергии, сколько ее поглощает 1 м2 данной отражающей поверх-
ности.
Если известен коэффициент поглощения некоторой поверхно-
сти и общая ее площадь, то, умножая коэффициент поглощения
на эту площадь, мы узнаем, скольким квадратным метрам откры-
того окна равнозначна в отношении звукопоглощения данная по-
верхность. Это число, выражаемое в квадратных метрах площади
открытого окна *, называется общим поглощением поверх-
ности.
* Единица поглощения, равная поглощению 1 ма открытого окна называет-
ся иногда «сабином» (в честь основоположника архитектурной акустик!
Уоллеса К. Сабина).
65
Общее поглощение звука в закрытом помещении составляется
из общего поглощения всех ограничивающих поверхностей и об-
щего поглощения всех находящихся в помещении людей и пред-
метов. «Поглощение последних учитывается уже пе по площади;
действительно, было бы затруднительно определить, например, по-
верхность поглощения, соответствующую сидящему в кинотеатре
зрителю. Для расчета звукопоглощения единичных объектов (лю-
дей, мебели и т. д.) пользуются числами, указывающими, сколь-
ким квадратным метрам открытого окна соответствует вносимое
единичным объектом- звукопоглощение. Определение -коэффициен-
тов и чисел поглощения при различных частотах производится
путем измерения их в специальных так называемых ревербера-
ционных камерах. В прилагаемых таблицах даны значения коэф-
фициентов поглощения в различных случаях, встречаемых в
практике звуковой кинопроекции, и числа поглощения отдельных
объектов.
/. Коэффициенты поглощения поверхностей, ограничивающих
закрытые помещения
Коэффициент поглощения при частоте (в
Поверхность 125 250 500 ЮОо 2000 40'10
Штукатурка по дере- вянной обрешетке (шероховатая) .... 0,02 0,024 0,034 0,03 0,028 0,043
То же, гладко отделан- ная U,012 0,013 0,018 0,045 0,028 0,055
Кирпичная степа не- окрашенная 0,024 0,025 0,031 0,042 0,049 0.07
То же, окрашенная . - 0,012 0,013 0,017 0,02 0,023 0,025
1 Бетонная стена (или пол) неокрашенная - . 0,01 0,012 0,016 0,019 0,024 0,025
То же, окрашенная - - 0,009 0,011 0,014 0,016 0,017 0,018
Паркет сосновый . . . 0,05 0,03 0,05 0,09 0,10 0,22
Сосновая панель .... 0 098 0,11 0,1 0,087 0,082 0,Н
Линолеум 0.02 , —• 0,03 — 0,04 —
Ковер шерстяной па бе- тонном полу 0,09 0,08 0,21 0,26 0.27 0,37
То же, поверх паркета . Резиновый ковер на бе- тонном полу 0,11 0,13 0,38 0,45 0,29 0,29
0,04 0,04 и,08 0,12 0.03 0,10
Деревянный пол .... 0,09 — 0,08 — 0,1
Стекло 0,035 .—• 0,027 0,02
1 Мрамор 0,01 — 0,01 — 0,015
Вентиляционные решет- ки 0,3 — 0,5 — 0,5 -
5*
67
2. Коэффициенты поглощения занавесов и драпировок
Характер отделки Коэффициент поглощения при частоте (в гц)
125 250 500 1000 2000 4000
Гладкий репс, натянутый на рамы на расстоянии 15 см от стены 0,21 0,27 0,22 0,25 0,29 0,35
То же, сдрапировано на 1/з площади 0,48 0,45 0,49 0,43 0,53 0,55
Байка гладкая, натянутая на рамы на расстоянии 15 см от стены 0,46 0,38 0,42 0,47 0,5 0,49
Драпировки, повешенные прямо на стену; ткань хлопчатобум ажная, 455 г/л2 0,03 0,04 0,11 0,17 0,24 0,35
То же, 640 г/м" 0,04 0,07 0,13 0,22 0,32 0,35
То же, велюр 820 г.’м2 . . 0,05 0,12 0,35 0,45 0,38 0,36
Тоже, на расстоянии Юслг от стены 0,06 0,27 0,44 0,5 0,4 0,35
Хлопчатобумажная ткань, 640 г/м-, сдрапированная на J/s площади 0,03 0,12 0,15 0,27 0,37 0,42
То же, сдрапированная на 3Д площади 0,04 0,23 0,40 0,57 0,53 0,40
То же, сдрапированная на 1/2 площади 0,07 0,31 0,49 0,81 0,66 0,54
3. Коэффициенты поглощения специальных материалов
и конструкций
Коэффициент поглощения при частоте (в гц]
i Материал (конструкция) I i 125 250 500 1000 ‘ 2000 4000
: Штукатурки [Пемзовая штукатурка тол- щиной 4 см 0,06 0,08 0,35 О', 44 0,37 0,26
1 То же, при замене пемзы 1 дробленым котельным | шлаком I о.Об 0,16 0,22 0,3 0,32 0,34
68
Продолжение.
Материал (конструкция) Коэффициент поглощения при частоте (в гц)
1^5 250 500 1000 -000 4000
Плиты Арборит огнестойкий гладкий . 0,15 0,48 0,56 0,55 0,53 0,56
То же, перфорирован- ный 0,31 0,33 0,47 0,53 0,59 0,64
Фиброакустит (акуст. ксилолит) 0,12 0,19 0,35 0,48 0,72 0,55
Оргалит 0,16 0,6 0,75 0,81 0,63 0,54
Асбестит 0,3 0,3 0;37 0,36 0,39 0,35
Пемзолит 0,2 0,48 0,7 0,52 0,5 О.,6
Пеношамотные кирпичи 0,15 0,5 0,72 0,66 0,68 0,67
Щкш Бекеши Щиты 1 X 2 л/, заполнен- ные хлопчатобумажной ватой, покрытые пару- синой . 0,41 0,42 0,43 0,5 0,47 0,35
То же, с окрашенной парусиной 0,3 .0,24 0,28 0,27 0,15 0,05
Щиты 0,9X2,65 м9 за- полненные асбестовой ватой, покрытые ло- щеным полотном • • . 0,65 0,75 0.74 0,7 0,7 0,62
То же, размером 0,9X2 м 0.57 0,68 ' 0,75 0,73 0,73 0,6
Перфорированные конструкции Асболит (диаметр отвер- стий-0,5 см, рассто- яние между центрами 4 см) 0,37 0,55 0,4 0,3 0,15 0,15
То же, расстояние ме- жду центрами 3 см . 0,28 0,44 0,56 0,56 0,38 0,16
То же, расстояние ме- жду центрами 2 см . 0,37 0,32 0,66 0,6 0,3 0,24
Асбестовое ролокио, слой толщиной 10 см, покрытое листами кро- вельного железа; от- верстия диаметром 0,4 см, расстойние ме- жду центрами 4 см . — 0,9 0,7 0,45 0,22 0,12
69
Продолжение
Материал (конструкция) Коэффициент поглощения при частоте (в гц)
125 250 500 JOOO 2000 4000
Рафинерная масса, слой толщиной 10 см, по- крытая железными ли- стами (толщина 1 лл); диаметр отверстий 0,4 см, расстояние ме- жду центрами 1,5 см . 0,48 0,74 0,66 0,68 0,5 0,5
То же, расстояние меж- ду центрами 2,5 см . 0,38 0,8 0,69 0,42 0,33 0,36
То же, расстояние меж- ду центрами 4 см . . 0,73 0,83 0,44 0,41 0,35 0,28
То же, при толщине слоя 4,5 см .... 0,24 0,65 0,57 0,2 0,04 0,03
Хлопчатобумажная вата, распушенная, покры- тая перфорированным фанерным листом; ди- аметр отверстии 0,7 см, , расстояние между цен- | трамп 3 см 0,4 0,5 0,42 0,32 0,27 0,12
4. Числа поглощения отдельных объектов (в м2)
Объекты Коэффициент тоглощения при частоте (в гц)
125 250 500 1000 2000 4000
Смешанная аудитория при заполнении зала на 3/4 (включая погло- щение кресла) на че- ловека 0,20 0,35 0,38 0,45 0,40 0,30
Кресла деревянные с от- кидными сиденьями на 1 кресло 0,018 0,022 0,036 0,035
То же, сиденье и спин- ка отделаны дерма- тином 0,13 0,15 * 0,06
То же, сиденье и спин- ка отделаны велюром 0,28 — 0,28 — 0,34 —
70
При определении общего поглощения звука на той или иной
частоте нужно поступать следующим образом: сначала нужно
определить площади отдельных поверхностей, обладающих одно-
.родными акустическими свойствами: пола, потолка, отдельных
участков стен, драпировок, экрана и т. д. Эти площади должны
быть умножены на соответствующие коэффициенты поглощения,
значения которых берутся из таблиц. Полученные после умно-
жения цифры поглощения нужно сложить друг с другом, опре-
делив таким образом общее поглощение пустого зала. Далее
следует определить число поглощающих объектов различных
групп (людей, кресел) и умножить их на соответствующие числа
поглощения; складывая эти произведения, мы получаем общее
поглощение отдельных объектов, которое следует прибавить к
общему поглощению пустого зала. Итог всех этих выкладок:
/1 — — ... -j- у
(где at, a2,.._ — коэффициенты поглощения поверхностей Si S2,...
а й! «2,... — числа поглощения объектов в количествах TVt, A's....)
даст нам общее поглощение звука в зале, выражаю-
щееся в квадратных метрах открытого окна (сабинах).
ВРЕМЯ, РЕВЕРБЕРАЦИИ
Мы можем теперь обратиться к определению длительности
процесса реверберации.
Заметим прежде всего, что длительность отзвука, то есть
время, протекающее с момента выключения источника звука до
того момента, когда отзвук, достигнув inopora слухового восприя-
тия, перестает быть слышным, зависит не только от свойств по-
мещения, но еще и от начального уровня, с которого начинается
процесс реверберации. Интересы технической практики побуждают,
однако, к тому, чтобы характеризовать реверберацию такими ве-
личинами, которые зависят только от самого помещения, а не от
случайных обстоятельств, вроде, например, начального уровня,
могущего иметь самые разнообразные значения. В качестве
характеристической величины можно выбрать, например ско-
рость спадания уровня звука, то есть величину, ука-
зывающую, на сколько децибелов в секунду уменьшается этот
уровень в процессе реверберации. Однако более употребительной
величиной является так называемое время реверберации.
Это — время, в течение которого плотность звуковой энергии в
помещении уменьшается в 1 000 000 раз (что соответствует умень-
шению уровня на 60 дб).
Обращаясь к анализу факторов, определяющих время ревербе-
рации, (нетрудно заметить, что оно будет тем больше, чем больше
объем помещения (1), и тем меньше, чем больше общее погло-
щение (А). Это станет ясным, если (вспомнить ю модели явления,
изображенной на рис. 48. Объем сосуда - со щелью соответствует
объему помещения. Общая площадь щели, через которую выте-
кает вода, соответствует общему поглощению. При заданной
площади щели время опорожнения сосуда будет тем больше, чем
больше его объем; при заданном объеме сосуд опорожнится тем
71
быстрее, чем больше площадь щели. Расчет, деталей которого
мы приводить не будем, показывает, что время реверберации
(или, как часто говорят для краткости, реверберация) может быть
приближенно определено но формуле, известной под названием
формулы Сабина:
V
7'=0,164-д--
При этом объем должен быть выражен в кубометрах, а общее
поглощение — в квадратных метрах открытого окна (сабинах).
Введем теперь одну вспомогатель-
Рис. 51. Поправочный
множитель к расчету
реверберации по фор-
муле Сабина
ную величину, которой очень удобно-
пользоваться при уточненных рас-
четах реверберации. Эта величина на-
зывается средним коэффициен-
том поглощения и определяется
как общее поглощение (с уче-
том поглощения отдельных объектов),
рассчитанное на единицу по-
верх и о с т и, ограничивающей объем
•помещения. Другими словами, средний
коэффициент поглощения есть коэф-
фициент, характеризующий такой во-
ображаемый материал, который, если
покрыть им всю ограничивающую по-
верхность, обеспечит в пустом зале та-
кое же время реверберации, какое мы
наблюдаем в действительных условиях,
когда различные части поверхности об-
ладают различными коэффициентами
поглощения и когда, кроме того, существенную роль играет по-
глощение отдельных объектов. Таким образом для определения
среднего коэффициента поглощения мы имеем формулу:
Формула Сабииа может быть теперь переписана в виде:
7=0,164------
°-pS
Если сопоставить эту формулу .с первоначаль-ной, то возникает
вопрос: какие же удобства дает введение среднего коэффициента
поглощения? Ответ на этот .вопрос определяется тем обстоятель-
ством, что формула Сабина является приближенной форму-
лой, погрешность которой зависит именно от среднего коэффи-
циента поглощения. При более точном расчете реверберации нужно
величины, полученные по формуле Сабина, умножить на. некото-
рый поправочный коэффициент. Его величину следует взять с гра-
фика рис. 51, где изображена зависимость поправочного множи-
теля от среднего коэффициента поглощения.
ЗАКОНЫ РЕВЕРБЕРАЦИИ
Многочисленные исследования, произведенные за последние
годы для проверки формулы, определяющей (конечно, с учетом
иоправки) время реверберации, показали, что формула дает, как
правило, достаточно точные результаты. В итоге (всех этих иссле-
дований мы сможем сформулировать некоторые весьма важные в
практическом отношении законы реверберации.
Прежде всего оказывается, что при заданном объеме и общем
поглощении время реверберации не зависитот формы
помещен и я. Отсюда, конечно, не следует заключать, что
форма помещения вообще не играет никакой роли и не влияет на
качество звуковоспроизведения. Действительно, при неудачно вы-
бранной форме зрительного зала качество воспроизведения может
пострадать от ясно выраженного эха (в том случае, когда волна
первого отражения доходит до слушателя позже, чем через:
’/16 сек. после прихода прямой волны). Помимо того, при наличии,
например, вогнутых поверхностей звуковая анергия может кон-
центрироваться в определенных областях зала, что также является*
нежелательным. Однако, если отвлечься от тех сравнительно ред-
ких случаев, .когда сама форма помещения является акустически
дефектной, можно утверждать, что для качества звуковоспроиз-
ведения форма зала является фактором второстепенного значения
Далее оказывается, что время реверберации одина-
ково во всех точках помещения и не зависит от
положения и от направленности источника звука.
В частности, в помещении может звучать не один источник, а не-
сколько; время реверберации сохраняет при этом прежнее зна-
чение.
Наконец, выяснилось, что формула реверберации те-
ряет свой смысл и значение в применении к по-
мещениям очень малого и очень большого объема.
Это обстоятельство не должно показаться удивительным. Дей-
ствительно, в помещениях, размеры которых сравнимы с длиной
волны в области низких звуков, еще слышимых человеческим
ухом, собственные частоты помещения отделены друг от друга
отчетливо различимыми интервалами; поэтому формула ревербера-
ции, выведенная в предположении очень «плотного» спектра соб-
ственных частот, теряет здесь свою силу. С другой стороны, в
помещениях, размеры которых настолько велики, что ухо легко
отличает прямой звук от первых отражений, картина восприятия
отзвука приобретает новое качество: вместо плавно., затихающего
звука мы слышим последовательный ряд эхо. При этом
уже ие имеет смысла говорить о процессе реверберации, который
в практическом смысле слова представляет собою непрерывную,,
слитную последовательность звуковых импульсов постепенно убы-
вающей силы.
iПЛОТНОСТЬ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ
В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ
Приведем еще одну формулу, по которой можно вычислить
среднюю плотность звуковой энергии в закрытом помещении при.
условии, что акустический режим установился. В целях паиболь-
72
шей наглядности мы снова обратимся к сосуду со щелью
(см. рис. 48) и выяснив, от каких факторов заийспт уровень води
в сосуде в установившемся состоянии, когда приход «I расход
воды сравнялись. Приход воды определяется производительностью
крана, то есть количеством воды, выливающейся из крана в еди-
ницу времени; расход воды зависит от действующей площади
щели, то есть от уровня воды в сосуде. Легко рассчитать, что
уровень воды будет прямо пропорционален производительности
крача и обратно пропорционален ширине щели. Коэффициент
пропорциональности зависит только от скорости истечения воды
через щель и не зависит от объема сосуда. Аналогичным образом
•обстоит дело и с плотностью звуковой энергии в помещении. Эта
плотность прямо 'пропорциональна акустической мощности Ра
источника звука (то есть энергии, отдаваемой помещению в еди-
ницу времени) и обратно пропорциональна общему поглощению А;
коэффициент пропорциональности зависит только от скорости
звука и не зависит от объема помещения. Расчетная формула
имеет вид:
Р„
0,012—.
3 л
плотность энергии —
Если выражать акустическую мощность в ваттах, а общее по-
глощение в квадратных метрах, то средняя' плотность энергии,
подсчитанная по этой формуле, будет выражена в джоулях (ватг-
секувдах) на кубический метр. В помещениях без резко выра-
женных акустических дефектов это среднее значение будет доста-
точно хорошо соответствовать плотности звуковой энергии в лю-
бой точке помещения.
Глава VI
ОПТИМАЛЬНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ И АКУСТИЧЕСКОЕ
ОТНОШЕНИЕ
ВЛИЯНИЕ РЕВЕРБЕРАЦИИ
НА АКУСТИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ПОМЕЩЕНИЯ
В предыдущей главе уже упоминалось о влиянии длительности
отзвука на слышимость речи и музыки в закрытых помещениях.
Вернемся к этому вопросу с тем, чтобы выяснить, при каких зна-
чениях времени реверберации акустическое качество помещения
оказывается наплучшим.
Представим себе, что в помещении звучит речь, нормальный
темп которой составляет примерно пять слогов в секунду; таким
образом каждый слог имеет среднюю длительность 0,2 сек. На
рис. 52 представлен ход изменения во времени средней плотности
звуковой энергии, излучаемой с каждым из последовательно про-
износимых слогов. Сплошные кривые относятся к случаю, когда
время реверберации равно 1 сек.; пунктирные кривые показывают,
как протекает акустический процесс в
том же помещении, если время ревер-
берации увеличено до 2 сек. Начнем
с последнего случая. Из графика вид-
но, что в момент произнесения оче-
редного слога 'плотность энергии, из-
лученной с предыдущим слогом, со-
ставляет 25%, а плотность энергии еще
ранее произнесенного слога —7% от
той плотности, которую создает в по-
мещении очередной, только что про-
звучавший слог. Можно рассчитать,
что в момент, когда слушатель воспри-
нимает очередной слог речи, уровни
двух предшествующих слогов лежат
соответственно иа 6 и 11,5 дб ниже
уровня очередного слога. При такой
относительно небольшой разности уровней отзвук предшествую-
щих слогов создает довольно значительную помеху отчетливому
восприятию речи: каждый новый слог воспринимается слушателем
каковы на фоне нескольких предшествующих слогов, еще не
успевших отзвучать до порога слышимости. При вдвое меньшем
времени реверберации (сплошные кривые) соотношения уровней
меняются: плотность энергии предшествующего' слога составляет
в рассматриваемом примере всего 6% от плотности, созданной
очередным слогом в момент его произнесения; это соответствует
Рис. 52. Нарастание зву-
ка и отзвук при звуча-
нии слогов речи
75
разности уровней 12,2 дб. Еще более ранний слог имеет при этом
энергию, составляющую ничтожную долю энергии очередного
слога. При таких условиях отзвук предшествующих слогов уже не
может мешать связному восприятию речи.
Те же самые соображения относятся и к восприятию музыки.
Затухание предшествующих звуков музыкального отрывка, если оно
происходит слишком медленно, может заметно мешать восприятию
последующих звуков, создавая неприятный фон, похожий на смут-
ный гул. Этот фон мешает восприятию музыки в тем большей
степени, чем быстрее темп исполнения.
Из всех этих рассуждений ясно, что при избыточной ревербе-
рации звучание речи и музыки искажается: речь становится не-
разборчивой, музыка звучит неестественно гулко. В связи с этим
естественно возникает вопрос: не следует лн для устранения аку-
стических дефектов помещения стремиться к возможно большему
сокращению времени реверберации, что может быть достигнуто
увеличением общего поглощения? Опыт, однако, дает отрицатель-
ный ответ на этот вопрос, убедительно показывая, что при слиш-
ком короткой реверберации акустическое качество помещения ста-
новится опять-таки неудовлетворительным.
Причина этого заключается в том, что устанавливающиеся про-
цессы в помещении составляют неотъемлемую часть естествен-
ного звучания музыки. Можно, пожалуй, сказать, что, например,
инструментом скрипача, играющего в концертном зале, является
ие только скрипка, но и объем воздуха, заполняющего зал. Прав-
да, эта часть инструмента не поддается искусству музыканта; ее
свойства предопределены объемом' зала и общим поглощением в
нем. Однако, если эта часть отсутствует, то музыкальный звук
становится безжизненным: процессы установления акустического ре-
жима -протекают не так, как .мы привыкли их слышать.
Далее, в помещениях с чрезмерно малым временем ревербера-
ции музыка (а также и речь) звучит непривычно глухо и тихо.
Недостаточность уровня громкости обусловлена тем, что при
большом поглощении источник звука с заданной акустической мощ-
ностью создает в помещении небольшую плотность звуковой энер-
гии (ср. стр. 74). Отсюда следует, что -вовсе не нужно всем-врио
уменьшать время реверберации; если только оио не слишком ве-
лико, то энергия процессов отзвука играет благоприятную роль,
способствуя повышению уровня громкости.
Для обеспечения надлежащего акустического качества поме-
щения время реверберации ие должно быть, с одной стороны,
чрезмерно велико, но, с другой стороны, не должно быть и
слишком малым. Время реверберации, при котором речь или му-
зыка звучат в помещении наилучшим образом (то есть речь хо-
рошо разборчива и вместе с тем достаточно громка, а музыка
звучит с привычной для нас слитностью), называется оптималь-
ным временем реверберации, или, короче, оптиму-
мом реверберации.
ОПТИМУМ РЕВЕРБЕРАЦИИ
Задача акустической обработки помещения, предназначенного
для слушания речи или музыки, в частности, и зрительного зала
звукового кинотеатра, сводится к надлежащему выбору оптималь-
ной реверберации и к обеспечению такого общего звукопоглоще-
ния, при котором фактическое время реверберации будет доста-
точно мало отличаться от оптимального. Для успешного решения
этой задачи необходимо знать, какое время реверберации является
оптимальным в том или другом частном случае. При этом, по-
скольку общее поглощение, вообще говоря, меняется с частотой,
одновременно нужно решить и вопрос о частотной характеристике
реверберации.
Если .сначала обратиться к более общему случаю—к опти-
мальной -реверберации в аудитории, рассчитанной на непосред-
ственное восприятие естественных источников звука, — то нужна
прежде всего констатировать, что оптимум реверберации суще-
ственно зависит от назначения аудитории. В частности, аудито-
рия, предназначенная для слушания музыки (концертный зал,
оперный театр) требует более длинной реверберации, нежели
аудитория, предназначенная для слушания речи (лекционный зал,
зал собраний). Далее, оптимальная реверберация зависит и от
объема аудитории. Опыты показывают, ‘ что в залах большего
объема желательно н увеличенное время реверберации; другими
словами — оптимум реверберации растет с увели-
чением объема зала. Это обстоятельство связано, вероятно,
с тем, что фактическая реверберация увеличивается с объ-
емом помещения (см. -стр. 72). -Благодаря этому .мы привыкли к
тому, что в помещениях большего объема время реверберации
увеличено, и короткая реверберация в больших залах создает
неприятное впечатление неестественного в данных условиях звуча-
ния. С другой стороны, при ограниченной акустической мощности
естественных источников звука, уровень громкости в помещении
при заданном времени реверберации уменьшается с увеличением
объема. Увеличение времени оптимально!? реверберации, в поме-
щениях большого объема до известной степени компенсирует
ограниченную мощность источников, способствуя повышению гром-
кости. I
При выборе оптимальной реверберации для зрительного зала
звукового кинотеатра нельзя, конечно, ориентироваться на пре-
обладание какого-либо определенного вида звучания — речи или
музыки; звуковые кинофильмы включают в себя как речевые,
так и музыкальные записи. Поэтому приходится выбирать реше-
ние в известном смысле компромиссное: реверберация в звуковом
кинотеатре должна быть такова, чтобы при полной разборчивости
речи музыка звучала все же достаточно хорошо*.
Небезынтересно отметить, что если сравнить оптимум ревербе-
рации для зрительного зала- кинотеатра с оптимальной ревербе-
рацией в концертном зале равного объема, то окажется, что по-
следняя лежит процентов на 20 выше. Понижение оптимума ре-
верберации в звуковых кинотеатрах связано с различными причи-
нами. Во-первых, из-за достаточной мощности громкоговорящих
устройств звук воспроизводится -в -кинотеатре на уровне, "который
лежит примерно на 10 дб 'выше уровня, естественного для
данного звучания; благодаря этому отзвук начинается с более вы-
* В современной технике звукового кино этот компромисс до известной
степени обезвреживается выбором специального режима записи речи (приме-
1еиие речевых фильтров, срезающих нижние частоты).
76
77
сокого уровня и длится соответственно дольше. Уменьшение вре-
мени реверберации сокращает длительность отзвука, доводя ее
до привычной нормы. Во-вторых, звук записывается в студии, об-
ладающей известной реверберацией; таким образом воспроизведе-
ние записи в кинотеатре уже сопровождается, независимо от ре-
Рис. 53. График оптимальной реверберации
для звуковых кинотеатров
верберации в зрительном зале, процессами отзвука, записанными
на кинопленке и складывающимися с реверберацией зала.
Вопрос о выборе величины оптимума реверберации для тех
или иных частот решается опытным путем— сравнением каче-
ства звучания при различных характеристиках реверберации. Опыт
многолетней эксплоатации звуковых кинотеатров позволяет сде-
лать в этом отношении вполне определенные рекомендации, кЬто-
рые мы воспроизводим в виде графика оптимальной реверберации
(рис. 53). На этом графике показана для различных частот вели-
чина оптимальной реверберации в звуковых кинотеатрах того или
иного объема. Все изображенные на графике кривые поднимаются
в сторону возрастающих объемов. Это значит, что чем больше
объем зала, тем больше должна быть в нем ревер-
берация па всех частотах. Далее мы видим из графика,
что чем ниже частота, тем больше время реверберации при за-
данном объеме зала; другими словами — частотная харак-
теристика оптимальной реверберации должна
иметь подъем в сторону низких частот (это обстоя-
тельство связано с некоторыми психо физиологическими свойства-
ми органа слуха). Наконец, мы замечаем, что кривые оптималь-
ной реверберации для различных частот сближаются друг с дру-
гом по мере уменьшения объема зала; это означает, что чем
меньше объем зала, тем меньше должен быть
подъем частотной характеристики ревербера-
ции в области низких частот.
Можно не без. веских оснований предполагать, что подъем
оптимума реверберации в сторону низких частот связан с нашей
78
привычкой слушать музыку и художественное слово именно в та-
ких 'условиях. Дело в том, что коэффициент поглощения публики,
составляющей основной фонд поглощения в аудиториях и кон-
цертных залах, невелик именно в области низких частот и повы-
шается в сторону высоких частот (см. числа поглощения в таб-
лице на стр. 70).
Частотный ход (фактического по.глощеиия в указанных усло-
виях довольно хорошо соответствует тому, который требуется
частотной характеристикой оптимума.
Что касается оптимальной реверберации в области высоких
частот, то надежных данных относительно ее значений до настоя-
щего времени мы не имеем. Отсутствие этих данных связано
главным образом с тем обстоятельством, что в области высоких
частот поглощение звука в воздухе (згг счет его вязкости и тепло-
проводности) очень существенно влияет па длительность ревер-
берации; вместе с тем этот фактор, сильно' зависящий от темпе-
ратуры и влажности воздуха, практически не поддается контролю.
Благодаря этому- при акустическом проектировании аудиторий
приходится считаться с неизбежным уменьшением реверберации
в сторону верхних частот.
РЕВЕРБЕРАЦИЯ И ВМЕСТИМОСТЬ ЗАЛА
Сопоставление коэффициентов поглощения поверхностей, огра-
ничивающих объем зала,*. с числами, характеризующими звукопо-
глощение зрителей (см. таблицы на стр. 67—70), отчетливо показы-
вает, что основную роль в балансе общего поглощения в зритель-
ном зале играет поглощение, вносимое зрителями. Опыт акусти-
ческого проектирования кинотеатров показывает, что звукопогло-
щение публики лишь в редких случаях составляет меньше
70—80% от общего поглощения зала. Отсюда возникает предпо-
ложение, что можно обеспечить оптимум реверберации, почти не
прибегая к отделке зала специальными звукопоглощающими мате-
риалами; нужно только надлежащим образом выбрать кубатуру
зала на одного зрителя. Тем самым будет задано поглощение'на
единицу объема зала, а значит, и вполне определенное время
реверберации. Нельзя, однако, упускать из виду, что кубатура на
одного зрителя (удельная кубатура) определяется еще и строи-
тельными соображениями, равно как и санитарно-гигиеническими
нормами; поэтому необходимо выяснить, согласуются ли между
собою акустические требования и строительные и санитарные
условия.
На рис. 54 представлена зависимость вместимости зала от его
объема; эта зависимость получена в результате усреднения цифр,
найденных для реальных объектов (театров и концертных залов),
и, следовательно, удовлетворяет строительным и санитарно-гигие-
ническим требованиям. Если теперь, руководствуясь этой завпси-
мЛстью, вычислить общую величину вносимого публикой погло-
щения и сопоставить ее с оптимальным поглощением (то есть с
поглощением, обеспечивающим оптимальную реверберацию), то
легко будет судить о том, насколько оптимальные, акустические
условия согласуются с прочими требованиями на удельную куба-
туру. Такое сопоставление выполнено на рис. 55: сплошная кри-
79
вая дает величину оптимального поглощения, пунктирная — пред-
ставляет звукопоглощение зрителей при 100% заполнении зала
в предположении, что вместимость его выбрана по графику
рис. 54. Мы видим, что пунктирная
кривая проходит несколько ниже
сплошной; если, однако, учесть, что
зал сам по себе (без зрителей) уже
обладает некоторым поглощением,
то придется признать, что при пра-
вильно выбранной удельной кубату-
ре оптимум реверберации может быть
обеспечен при минимальных затра-
тах на специальные акустические
мероприятия.
________________________________________________ График рис. 55 относится к ча-
'JUSD Ш 3000 ЛЮ №000_______стоте 500 гц; необходимо еще выяс-
06ге” мил нить, как обстоит дело с частотной
Рис. 54. Зависимость вмести- характеристикой реверберации при
мости зрительного зала ог условии, что основное поглощение
его объема вносится публикой. Выше уже ука-
зывалось, что это' условие как раз
и приводит к подъему характеристики реверберации в сторону
низких частот, а этого подъема мы и требуем от оптимальной
характеристики. Вопрос о том, в какой мере совпадают частот-
ные характеристики по-
глощения публики и опти-
мального поглощения, ре-
шается в каждом отдель-
ном случае расчетом, но
зиожно предполагать, что
расхождение ие должно
быть велико, и при пра-
вильно спроектированном
зале коррекция потребует
лишь небольшого количе-
ства специальных акусти-
ческих материалов. Расче-
ты этого рода осложняют-
ся, однако, тем обстоятель-
ством, что и время ревер-
берации и его частотная
характеристика зависят от
степени заполнения зала.
Как правило, акустический
расчет ведется с установ-
кой на обеспечение опти-
мума реверберации при
нормальной в условиях
эксплоатации степени за-
Z
Рис 55. Оптимальное поглощение
(сплошная кривая) и поглощение,
вносимое публикой при ЮО-процент-
иом заполнении зала (пунктирная
кривая)
лолнения зала (порядка
75—80%). Применение мягкой мебели (кресел) с большим погло-
щением звука позволяет в значительной мере устранить зависи-
мость реверберации от заполнения зала, однако это сопряжено с
довольно значительными затратами н применяется не часто.
80
. 'АКУСТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ
И ФАКТОР АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА
В практике звуковой кинопроекции нередки случаи, когда при
оптимальной реверберации качество звуковоспроизведения, по-
скольку оно зависит от акустических свойств зала, оказывается
неудовлетворительным по крайней мере на некоторой части пло-
щади зрительских мест. Нариду с этим встречаются и случаи,
когда, несмотря па избыточную реверберацию, слышимость (по
крайней мере па большей части площади мест) получается вполне
удовлетворительной.
Такие случаи обычно наблюдаются при использовании напра-
вленных громкоговорителей рупорного типа.
Такие случаи дают повод думать, что оптимум реверберации
во-первых, иногда не гарантирует хорошей слышимости, а во-
вторых, не всегда объясняет отсутствие акустических дефектов.
Уже одно то обстоятельство, что разборчивость речи часто не
одинакова в различных частях зала * и к тому же сильно зависит
от направленности источника звука, заставляет думать, что время
реверберации не является единственным мерилом акустического
качества зала.
Реверберация одинакова 'во всех точках зала и никак не
зависит от тех или иных свойств (в частности, от направленности)
гром коговор ител ей.
Почему 'же, однако, время реверберации в очень многих слу-
чаях достаточно хорошо характеризует акустические качества
зала?’ Ответ на этот вопрос станет ясным, если вспомнить, что
общее поглощение звука, ют которого зависит время ревербера-
ции. определяет одновременно и плотность звуковой энергии, пре-
терпевшей многократные отражения; эту многократно отраженную
анергию мы будем в дальнейшем называть диффузно пере-
мешанным звуком. Но плотность диффузно перемешанного
звука, если сопоставить ее с плотностью энергии в прямой волне,
как раз и определяет уровень помех, причиняемых избыточно
долгим отзвуком. В то же время становится ясным, что для вы-
яснения условий слышимости в реверберирующем помещении нуж-
да учитывать не только плотность диффузно перемешанного зву-
ка, но и плотность прямой энергии, доходящей до слушателя по
кратчайшему пути от источника звука. Оба фактора будут учте-
ны, если ввести в рассмотрение величину так называемого а к у-
стическюго отношения, которое определяется как отно-
шение плотности диффузно перемешанной зву-
ковой энергии к плотности энергии в прямой
волне.
Нетрудно показать, что в отличие от времени реверберации,
акустическое отношение зависит не только от объема зала и об-
щего звукопоглощения, но еще и от расстояния до источника
звука, а также и от направленности этого последнего.
Зависимость акустического отношения от расстояния до ис-
точника звука выясниетси из следующих соображений. Плотность
Обычно разборчивость ухудшается с удалением от громкоговорителей*
В. В. Фурдуев 81
энергии в прямой' звуковой волне убывает, как и сила звука, с
квадратом расстояния; плотность же диффузно перемешанного
звука практически всюду одинаковд и не зависит от расстояния
между 'слушателем и источником звука. Отсюда ясно, что аку-
стическое отношение должно возрастать с ква-
дратом расстояния
от источника звука.
Ухудшение разборчивости
речи в задних .рядах зри-
тельного зала можно, сле-
довательно, объяснить ро-
стом акустического отно-
шения, то есть уменьше-
нием прямой энергии по
сравнению с диффузно .пе-
ремешанной, которая при
значительной величине ре-
верберации является источ-
ником помех.
В качестве иллюстрации
на рис. 56 дана величина
акустического отношения в
задних рядах залов раз-
Рис. 56. Зависимость акустиче-
ского отношения (в наиболее уда-
ленной точке) от объема зала при
ненаправленном излучении
личного объема ® предположении, что .реверберация имеет значе-
ние, оптимальное для данного объема, и что источник звука не
обладает направленностью.
Поражает прежде всего, самая величина акустического отно-
шения: из графика видно, что в задних рядах плотность диф-
фузно перемешанного звука в десятки раз превышает плотность
энергии в прямой звуковог волне (это обстоятельство лишний раз
подтверждает роль реверберации, как фактора, повышающего уро-
вень громкости).
Далее мы замечаем, что акустическое- отношение особенно
велико в залах малого объема *. Большая величина акустического
отношения в залах малого объема проливает некоторый свет на
тот неоднократно наблюдавшийся факт, что именно в .небольших
залах разборчивость речи в задних рядах оказывается неудовле-
творительной даже и при оптимальной .реверберации.
Попытаемся теперь определить, каким образом акустическое от-
ношение может зависеть от направленности громкоговорителя.
Пусть в некоторой точке зала, лежащей прямо против громко-
говорящего устройства, акустическое отношение при ненаправлен-
ном излучении имеет довольно большую величину, скажем, 25.
Заменим теперь ненаправленный излучатель рупорным громкого-
ворителем, который в области средних частот создает на оси плот-
ность прямой энергии, примерно в 25 раз большую, нежели не-
направленный излучатель при той же акустической мощности
* Это объясняется тем, что при относительно небольшом уменьшении
реверберации плотность диффуэно перемешанного звука растет с уменьшением
объема зала быстрее, нежели плотность прямой энергии с -уменьшением квад-
рата линейных размеров зала.
(благодаря концентрации излучения в осевом направлении). Так
как плотность диффузно перемешанного звука остается той же
самой (она зависит только от мощности, но не от направленности
источника), то ясно, что при замене ненаправленного излучателя
на направленный с 25-кратной осевой- крнцентрацйей звуковой
энергии акустическое отношение уменьшится в 25 раз и в нашем
примере сделается равным единице. Понятно, что при этом раз-
борчивость речи должна улучшиться.
Конечно, указанные условия удовлетворяются только на оси
громкоговорителя, в направлении которой концентрируется излу-
чаеиаи им звуковая энергии. В точках, не- лежащих на оси
громкоговорители, соотношении могут быть иными; позднее мы,
однако, увидим, что при известных условиях можно обеспечить
достаточно малую величину акустического отношения на большей
часта площади зрительских мест. . ‘
Возможность характеризовать условии слышимости в зале зву-
кового кинотеатра какой-либо одной величиной, — если не време-
нем реверберации, то акустическим отношением, — представляется,
конечно, очень заманчивой, однако вплоть до настоящего времени
мы еще не имеем данных дли уверенного выбора такой характе-
ристической величины. Во всиком случае опыт показывает, что
акустическое отношение, если рассматривать его независимо от
времени ревербераций, не может служить единственным мерилом
акустического качества зала. Попытки обеспечить удовлетвори-
тельную разборчивость речи, при очень большой реверберации пу-
’ем применения остро направленных громкоговорителей (другими
словами — путем уменьшения акустического отношения) не дают
заметного успеха; приходится все-таки дополнительно заглушать
зал акустическими материалами и тем самым понижать время ре-
верберации, если не до оптимума, то 'во всяком случае до ка-
кого-то приемлемого значения.
Отметим еще, что в относительно недавнее времи была сде-
лана попытка предложить в качестве величины, однозначно ха-
рактеризующей условия слышимости в закрытом помещении, так
называемый фактор акустического качества. Попыт-
ка эта исходит из следующих соображений. Опыт показывает, что
отраженная звуковая энергия, достигающая уха слушателя в те-
-чеяие примерно Vis сек. после прихода прямой волны, является
п о л е з н о й, - спосооствуя увеличению уровня громкости. Отра-
женная энергия, приходящая после указанного промежутка вре-
мени, является уже вредной, так как она создает помехи
восприятию последующих элементов связного звучания. Фактор
акустического качества определиется поэтому как отношение
суммы примой энергии и энергии, 'полученной в
течеййе ’/is сек. после прихода прямой -волны, к
энергии, воспринятой в течение всего тосте дую-
щего времени отзвука.
Некоторые опыты дают повод думать, что разборчивость речи
оказывается . вполне достаточной, -если фактор акустического ' ка-
тества не меньше единицы. Однако этот опыт еще нельзя считать
достаточным, и вопрос об однозначном выборе величины, харак-
теризующей условия слышимости, является все еще открытым.
Можно только утверждать, что при акустическом проектирова-
нии звуковых кинотеатров нельзя ограничиваться лишь обеспече-
(2
6*
83
нием оптимальной реверберации ги ее частотной характеристики.
Необходимо еще добиться достаточно равномерного распределения
прямой звуковой энергии по площади Зрительских мест, с тем
чтобы эта энергия составляла не,менее чем */ю от общей энер-
гии, приходящейся на единицу объема в той или иной точке зала
(цифра */ю имеет, впрочем, лишь ориентировочный характер).
Если это условие удовлетворено, если, другими словами, акусти-
ческое отношение на площади мест нигде не превышает 10, то
время реверберации может несколько превышать оптимальное
значение, однако все же ис слишком значительно.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЯМОЙ ЭНЕРГИИ
ПО ПЛОЩАДИ МЕСТ
Мы видели, что для обеспечения хорошего качества звуковос-
произведения каждое зрительское место должно получать доста-
точное количество прямой звуковой энергии. Это условие может
быть выполнено путем использования
Рис. 57. Распределение прямой звуко-
вой энергии по площади зрительских
мест при ненаправленном (а) и на-
правленном (б) громкоговорителе
направленных громкоговори-
телей; правда, для этого
нужно, чтобы характеристи-
ка направленности удов-
летворяла некоторым спе-
..циальным требованиям.
Рассмотрим сначала
случай, когда громкогово-
ритель .не обладает на-
правленностью, то есть ха-
рактеристика направленно-
сти имеет вид окружности.
На рис. 57, а изображен
схематически продольный
разрез зрительного зала;
точка О обозначает место-
положение источника звука
(ненаправленного громкого-
ворителя), часть штрихо-
ванной окружности — от-
резок характеристики на-
правленности, имеющей
центром точку О. На пло-
щади зрительских мест вы-
берем две точки, одна из
которых (71) соответствует
заднему, а другая (5) — пе-
реднему ряду партера.
Расстояние ОА превышает
расстояние ОБ •в три с лишним раза; поэтому плотность звуковой
энергии в точке А будет примерно в 10 раз меньше, чем в точке
Б. При этом зрители задних рядов будут получать недостаточное
количество прямой энергии по сравнению со зрителями передних
рядов, что может привести к ухудшению разборчивости речи в
удаленной от экрана части зрительного зала.
При наличии направленного громкоговорителя различие в рас-
стояниях до ближайшего и до наиболее удаленного зрителя мо-
жет “быть в значительной степени компенсировано тем, что ось
излучателя, в направлении которой концентрируется звуковая
энергия, ориентируется на наиболее удаленного зрителя, причем
ближайшие зрители оказываются, очевидно, уже вне осевого на-
правления. На рис. 57,6 -представлен тот же зал, что и на
рис. 57,а, однако характеристика направленности имеет теперь
форму более или менее вытянутого эллипса. Можно легко дока-
зать, что все точки, лежащие на контуре характер и-
сти-ки направленности, получают одинаковую
прямую энергию; в применении к интересующему нас слу;
чаю это означает, что, несмотря на различие в растениях, плот-
ность прямой энергии в точках А и Б будет одинаковой, посколь-
ку обе они лежат на контуре характеристики направлен-
ности. Различие в расстояниях компенсируется тем, что в направ-
лении ОБ громкоговоритель излучает меньше энергии, нежели
в направлении ОА. В точках, лежащих между А и Б, плотность
прямой энергии будет всюду больше, так как промежуточные точ-
ки лежат внутри контура характеристики. Действительно, при
переходе из точки Б в точку А расстояние от громкоговорителя
увеличивается в меньшей степени, чем вектор характеристики на-
правленности (ср. стр. 10).
Мы видим теперь, что использование направленности откры-
вает возможность более или менее равномерного распределения
прямой энергии громкоговор'ителей по всей площади мест. Нужно
только позаботиться о том, чтобы форма характеристики направ-
ленности достаточно хорошо согласовалась с формой зрительного
зала (в продольном разрезе и в плане). В тех случаях, когда
зал имеет балкон, одного комплекта громкоговорителей может
оказаться недостаточно для равномерного покрытия всей площа-
ди зрительских мест. Дополнительное количество прямой энергии
может быть подано иа балкон с помощью второго комплекта на-
правленных громкоговорителей, как это в виде примера представ-
лено на рис. 58.
Какие же требования должны быть предъявлены к характери-
стике направленности громкоговорителей, для того чтобы можно
было добиться равномерного распределения больших количеств
прямой звуковой энергии, чтобы, другими словами, можно было
обеспечить достаточно малую величину акустического отношения
на всей площади мест?
Прежде всего характеристика направленности должна иметь
достаточно вытянутую форму, согласующуюся с формой продоль-
ного разреза типового зрительного зала. Это условие обеспечи-
вается применением рупорных громкоговорителей, которые при
надлежащих размерах .рупора дают направленное излучение даже
в области сравнительно низких частот. Далее, весьма важно,
чтобы характеристика направленности громкоговорителя сохраняла
свою форму н остроту в достаточно широком диапазоне частот.
В противном случае условия, соблюдение которых достигнуто в
одной области частот, не будут удовлетворены в другой области.
В частности, если характеристика направленности обостряется по
мере повышения частоты (кстати сказать, это — типовой случай),
то на низких частотах задние ряды партера не будут получать
84
85
достаточного количества прямой энергии, так как в этой области
частот осевая концентрация энергии незначительна; напротив при
высоких частотах недостаточное количество прямой энергии будет
излучаться на передние ряды вследствие концентрации энергии
в направлении на задние ряды.
Рис. 58. Применение второго комплекта громкоговори-
телей для озвучания балкона
Как уже отмечалось ранее (стр. 51), .постоянство характери-
стики направленности рупорного громкоговорителя в более или
менее широкой области частот достигается соответствующим вы-
бором размеров оконечного отверстия экспоненциального рупора.
Стремление обеспечить это постоянство служит лишним доводом
в пользу применения громкоговорящих аггрегатов. Область по-
стоянства направленности может быть при этом расширена за
счет наличия двух рупоров—низкочастотного и высокочастотного.
' Нужно отметить, что осевая концентрация излучаемой громко-
говорящим комплектом 'звуковой энергии получается только в том
случае, когда элементы комплекта, как принято говорить, с ф а з и-
ров.ан ы друг с другом, то есть когда подвижные их системы
колеблются в одной и той же фазе, смещаясь одновременно в
одном и том же направлении. При установке громкого-
ворящей аппаратуры (а также после ремонта, свя-
занного с отключением линий, несущих звуковую ча-
стоту и ток подмагничивания) необходимо всегда прове-
рять фазировку элементов комплекта. Для этого
можно при включенном подмагничивании подавать иа линию
звуковой частоты импульсы включения и выключения напряжения
(например, с помощью батарейки) и наблюдать при этом за сме-
щением конусов, пересоединяя' концы до тех пор, пока все конусы
не будут смещаться при подаче импульса в одном и том же на-
правлении.
Отсутствие фазировки громкоговорителей приводит к совер-
шенно неправильному распределению прямой звуковой энергии и
может в некоторых случаях резко ухудшить качество воспроиз-
ведения.
Само собой понятно, что громкоговорители, работающие на
общий рупор или монтированные в общем щите, должны быть
86
обязательно сфазированы друг с другом также и по причине
совсем другого характера. При работе в противофазе взаимная
реакция рядом работающих излучателей привела бы к резкому
снижению сопротивления излучения и, следовательно, к уменьше-
нию отдачи громкоговорящего устройства.
УРОВЕНЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА
Для того чтобы качество воспроизведения звукового фильма
даже и при надлежащей реверберации было достаточно высоким,
нужно, чтобы электроакустический тракт развивал требуемую
в данных условиях акустическую мощность. Другими словами —
звук должен воспроизводиться на уровне, обеспечивающем не
только хорошую разборчивость речи, но и естественное звучание
музыки; шумовые эффекты также должны воспроизводиться на
уровне, достаточном для создания акустической иллюзии. Пиковый
уровень неискаженного воспроизведения в кинотеатре должен иметь
величину порядка 95—100 дб. Очевидно, что при недостаточной
мощности электроакустического тракта качество звукопередачи,
даже при найлучшей акустике зрительного зала, не может быть
удовлетворительным.
К определению акустической мощности, необходимой для созда-
ния заданного уровня воспроизведения звукового фильма, можно,
вообще говоря, подойти расчетным путем. В этом расчете должны
быть приняты во внимание такие факторы, как степень согласо-
вания характеристики направленности громкоговорящего устрой-
ства с формой продольного разреза и плана зала, степень кон-
центрации звукового излучения в вертикальной и горизонтальной
плоскостях, размеры площади, занятой местами зрителей, время
реверберации и крайние значения акустического отношения на
площади зрительских мест.
Поэтому при определении необходимой номинальной мощности
звуковоспроизводящего тракта приходится ориентироваться на
опыт эксплоатации' существующих театров. С точки зрения удоб-
ства выбора усилительной и громкоговорящей аппаратуры целе-
сообразно определять не акустическую, а электрическую мощность;
при этом одновременно уточняется выбор комплекта громкогово-
рителей и тип усилительного устройства для звукового кино-
театра с заданным числом мест.
Приведем, однако, эмпирическую формулу, по которой можно
ориентировочно рассчитать электрическую 'мощность усилительного
устройства, гарантирующего при работе с громкоговорителями
промышленного типа минимально необходимый уровень неиска-
женного воспроизведения кинофильма. Формула эта такова:
Р=10+0,02А,
где N — число мест.
Мощность, подсчитанная по этой формуле, выражена в ваттах.
Глава VII
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
И КОНСТРУКЦИИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ
Для обеспечения в зале звукового кинотеатра оптимальной
реверберации с определенной частотной характеристикой поглоще-
ние самого зала .и публики может оказаться недостаточным или
неподходящим. Для получения желаемых акустических условий
в ряде случаев необходимо 'прибегать к обработке зала специаль-
ными звукопоглощающими материалами; их поглощение мы будем
называть дополнительным.,
Расчеты, проделанные для ряда типичных форм зрительных
залов средней вместимости (от 400 до 1 000 мест), показывают,
что для обеспечения надлежащего акустического качества зала
при 80% заполнении необходимо дополнительное поглощение,
величине! которого колеблется в зависимости от объема зала в
пределах от 70 до 250 лг2 и сохраняет постоянное значение в
области частот от 125 до 2 000 гц.
Необходимо отметить, что наша строительная промышленность
еще не производит специальных акустических материалов, потреб-
ность в которых, однако, давно уже назрела. Поэтому при аку-
стической обработке звуковых кинотеатров приходится либо при-
бегать к драпировке стен тканями i(penc, байка и т. п.), либо
,изготовлять акустические материалы своими средствами.
ПОРИСТЫЕ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Акустические звукопоглощающие материалы, пригодные для
использования в звуковых кинотеатрах, могут быть разделены на
две группы:
1) акустические штукатурки;
2) твердые пористые материалы в виде плит, укрепляемых на
ограничивающих помещение поверхностях.
Акустические штукатурки состоят из зерен легкого наполнителя,
(пемза, дробленый котельный шлак и т. п.), связанных быстро-
схватывающим цементом. Количества вяжущего и воды подби-
раются таким образом, чтобы раствор не затекал -в промежутки
между зернами наполнителя; при этом оштукатуренная поверх-
ность получает после отвердения заметную пористость.
Твердые («блочные») материалы имеют форму волокнисто-по-
ристых плит, изготовляемых путем формовки или прессовки. Из
числа применявшихся у нас материалов этого типа можно ука-
зать на следующие:
а) акустический ксилолит («Акси») — плиты, спрессованные из
древесных опилок на магнезиальном цементе в качестве вяжущего;;
плиты могут крепиться к стенам путем присадки на гипсовом
растворе -или на шурупах;
б) фиброакустит •—материал, отличающийся от ксилолита только-
тем, что вместо опилок наполнителем служит так называемая’
«древесная шерсть», то есть взаимно переплетающиеся древесные
волокна (или стружка);
в) оргалит — плиты, получаемые путем формовки под прессом-,
разжиженной древесной массы (щепы), смешанной с проваренной
льняной или конопляной кострой;
г) арборит — плиты, изготовляемые из так называемой «рафи-
нерной массы», представляющей собой отход бумажного произ-
водства; для придания огнестойкости масса пропитывается солями
аммония;
д) пемзолит-—материал, сходный по структуре с акустической
штукатуркой, но отформованный под прессом и пропаренный пол
давлением.
Материалы подобного рода — как плиты, так и штукатурки —
обладают способностью более или менее эффективно поглощать
звук вследствие того, что энергия звуковых воли, проникших в.
поры материала, превращается в тепло благодаря трению колеб-
лющегося воздуха о стенки узких каналов, образуемых порами.
Коэффициент поглощения таких материалов растет с увеличением
пористости и существенно зависит от того сопротивления, которое-
поры оказывают проникновению воздушных потоков.
Как величина коэффициента поглощения пористых материалов,,
так и его частотная характеристика определяются не только свой-
ствами самого материала, по еще его толщиной и способом
крепления на стене. Если поры материала замкнуты жесткой сте-
ной (то есть материал крепится вплотную к стене), то наиболь-
ший коэффициент поглощения будет наблюдаться на той частоте,
при которой глубина канала становится равной четверти длины
звуковой волны в канале. Это объясняется тем, что при этом
условии в каналах устанавливается резонансное колебание —
стоячая волна с пучностью смещения у - поверхности поглощаю-
щего слоя и узлом у поверхности жесткой стены. Возбуждаемая
на резонансной частоте система кидалов (пор) отбирает от звуко-
вого поля максимальное количество энергии. В обе стороны от-
частоты резонанса коэффициент поглощения пористого материала
падает. Причина этого заключается в том, /что чем меньше колеба-
тельная скорость воздуха в порах, тем меньше энергии поглоти-
тель отбирает от звукового поля.
В практическом отношении весьма важное значение имеет То’
обстоятельство, что для получения сколько-нибудь значительного
поглощения на низких частотах слой поглощающего материала
должен иметь очень большую толщину. Для таких поглотителей,
как акустическая штукатурка, это условие, очевидно, нельзя вы-
полнить (слой штукатурки не может быть толще 2—3 см, иначе
она будет осыпаться); поглотители в виде плит могут, правда,
иметь большую толщину, однако производственные соображения
н в этом случае не дают возможности переместить максимум
поглощения в сторону частот порядка 100—200 гц. Отсюда отли-
чительное свойство всех пористых поглотителей: н е д о с т а-
88
891
точное звукопоглощение в области низких час-
тот.
Некоторое улучшение поглощения на низких частотах (и вме-
сте' с тем общее повышение поглощения) может быть достигнуто
в том случае, когда поглощающие плиты располагаются не вплот-
ную к стене, а ла
некотором расстоя-
нии от нее (порядка
5—10 см). При этом
поры открываются в
пространство между
поглощающей плитой
и стеной. Благодаря
отсутствию замыкаю-
щей поры стены
уменьшается количе-
ство звуковой энер-
гии, возвращаемой в
помещение отражен-
ной волной, и коэф-
фициент поглощения
увеличивается. В ка-
Рис. 59. Изменение характеристики пори-
стого материала при отодвигании его от
стены на 5 см
честве примера на рис. 59 изображены частотные характеристики
поглощения пемзолитовых плит при креплении вплотную к .стене
(сплошная кривая) и три наличии промежутка в 5 см между
•стеной и поглотителем (пунктирная кривая); в последнем случае
коэффициент поглощения выше .и имеет оолее ровную характери-
стику, однако, все же падающую в сторону низких частот.
Интересно отметить, что звукопоглощение, вносимое публикой,
также уменьшается при уменьшении частоты; это свидетельствует
о той роли, которую играет пористость тканей одежды.
ЩИТЫ бекеши
Недостаточность поглощения на низких частотах побудила
искать такой способ использования звукопоглощающих материа-
лов, при котором можно получить преимущественное поглощение
’именно в нижней части частотного’ диапазона. В настоящее время
известно несколько таких способов, успешно применяемых для
коррекции частотной характеристики общего поглощения.
Один из этих способов основан на том, что резонанс погло-
•щающей системы, где, как мы уже знаем, поглощение имеет наи-
большую величину, понижается не путем утолщения слоя (что
практически очень затруднительно), а путем использования погло-
щающего материала в качестве активного сопротивления, нагру-
жающего некоторую колебательную систему. Поглощающая кон-
струкция такого типа, примененная впервые Г. Бекеши и извест-
ная под названием щита Бекеши, представляет собою
деревянную раму, закрытую туго натянутым авиационным полот-
ном (или клеенкой). Рама крепится на стене, а между стеной и
натянутой покрышкой закладывается распушенная хлопчатобумаж-
ная вата. Схема устройства изображена на рис. 60, а. Когда
частота звуковой волны, падающей на мембранную покрышку,
близка к ее собственной частоте, резонансные колебания мебраны
имеют относительно большую амплитуду; при этом система отби-
рает от звукового поля значительное количество энергии, превра-
щающейся в тепло благодаря наличию тормозящего действия
слоя ваты. Собствен-
ная частота системы
определяется здесь
весом мембраны (точ-
нее, ее массой на
единицу площади) и
упругостью ‘воздушно-
го объема между мем-
браной и стеной. Ча-
стота резонанса, на
которой коэффициент
поглощения максима-
лен, легко может
быть сделана доста-
точно низкой, как
это видно из рис.
60,6, изображающего
Рис. 60. Устройство щита Бекеши и
характеристика его поглощения
частотную характери-
стику поглощения щита Бекеши размером 1X4 лг при толщине
4 см. Укажем, что довольно значительное поглощение на низ-
ких частотах, наблюдаемое в залах, отделанных деревянными па-
нелями, объясняется именно резонансным поглощением панелей.
Роль активного сопротивления играет в Зтом случае внутреннее
трение при деформациях панели.
ПЕРФОРИРОВАННЫЕ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ
КОНСТРУКЦИИ
Другой способ получения преимущественного поглощения на
низких частотах основан на использовании днффракционных явле-
ний при прохождении звука через малые отверстия. В конструк-
циях этого типа слой поглощающего материала закрывается пер-
форированным листом (то есть листом с большим числом малых
отверстий). Энергия низких частот проникает через малые отвер-
стия в гораздо больших относительных количествах, нежели энер-
гия высоких частот. Этим, в частности, объясняется тот обще-
известный факт, что достаточно хотя бы слегка приоткрыть дверь,
чтобы разговор из соседней комнаты стал отчетливо слышным,
несмотря на то, что площадь образовавшейся щели очень мала
по сравнению с площадью двери. Вместе с тем тембр речи
кажется при этом несколько непривычным, что связано с тем, что
звуки высоких частот с малой длиной волны проносят через щель
лишь малую часть своей энергии, тогда как энергия низких зву-
ков с большой длиной волны проходит через щель в количестве,
вовсе не пропорциональном относительной площади щели. Хорошо
известно также, насколько ухудшается изоляция одного помеще-
ния от другого при наличии хотя бы незначительных неплотностей
в пригонке дверей и окон, при незаделанных трещинах, замочных
90
91
скважинах и т. п. Аналогичное явление происходит и при падении
звуковой волны на перфорированный лист: этот лист играет роль
фильтра, свободно пропускающего внутрь поглощающего слоя
Рис. 61. Характеристика по-
глощения перфорированной
конструкции
низкие звуки и отражающего звуки высокой частоты. Насколько
эффективной может быть такая конструкция, видно из рис. 61,
где изображена частотная характеристика поглощения одного из
опытных образцов перфорированных поглощающих конструкций
* Г1одробные сведения о коэффициентах поглощения различных материалов,
и конструкций даны в таблице на стр. G8.
Глава VIII
АКУСТИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
При соблюдении всех качественных и количественных требова-
ний, предъявляемых к электроакустическому тракту, с одной сто-
роны, и к акустическим свойствам зрительного зала — с другой,
успешное осуществление звукового кинопоказа не возможно, если
зрители не ограждены от проникновения в зал различного рода
•звуковых помех, отвлекающих внимание от демонстрируемого
фильма и нарушающих целостность художественного впечатления.
Такими помехами являются звуки и шумы, проникающие либо из
смежных с залом помещений (концертное фойе, коридор, аппарат-
ная) либо с улицы (транспортные шумы). Помимо того, шумовые
помехи могут иметь своей причиной вибрации и сотрясения зда
ния, обусловленные работой машин (вентиляторов, насосов цен-
трального отопления, моторгенераторов и т. п.). Под термином
«акустическая изоляция» (в широком смысле этоуо слова) при-
нято понимать совокупность мероприятий, направленных к ослаб-
лению всех мешающих шумов, проникающих тем или иным спо-
собом в защищаемое от них помещение, в частности, в зритель-
ный зал кинотеатра.
Меры обеспечения акустической изоляции существенным обра-
зом зависят от способа проникновения шумовых помех. Здесь не-
обходимо различать два случая:
1) мешающий звук распространяется от своего источника по
воздуху и проникает в помещение за счет звукопроводности
преград, стоящих па его пути. Такую помеху называют «воздуш-
ным» звуком; типичным примером является проникновение в зал
звуков оркестра, играющего в смежном с залом фойе;
2) шумовые помехи представляют собой вибрации (сотря-
сения) звуковой частоты, распространяющиеся в твер-
дых телах: звук (называемый иногда «корпусным» звуком)
излучается в защищаемое помещение благодаря колебаниям про-
водящих сотрясения тел. Типичным примером является распро-
странение звука по трубам центрального отопления: удар по ба-
тарее или по трубе слышен во всем здании, обслуживаемом
отопительной системой.
Желая оценить акустическую изоляцию зала от шумовых по-
мех обоих типов, мы можем выбрать в. качестве основного пока-
зателя Уровень громкости шума, откуда Бы то ни было
проникающего в помещение. Для обеспечения нормальных усло-
вий звукового кинопоказа нужно, чтобы суммарный уровень
громкости шумовых помех ие превышал 35—40 дб. При соблюде-
93
яии этого условия проникающий шум будет лежать примерно на
5—10 дб ниже уровня шума, создаваемого самой публикой и вос-
производящим трактом, причем помеха уже ие будет заметно
ощутимой.
Уровень громкости шумовых помех дает, однако, только сум-
марную оценку акустической изоляции помещения и не позволяет
судить о звукопроводности тех или иных элементов сооружения.
Если же мы пожелаем количественно оценить роль того или дру-
гого строительного элемента (стены, перекрытия, окна, двери
и т. д.) в защите помещения от проникновения шума, то нужно
будет выбрать какую-то другую характеристическую величину,
зависящую только от свойств интересующего нас элемента соору-
жения.
Мы можем, например, сравнивать акустическую мощность, па-
дающую на стену, с мощностью, проникающей через стену;
отношение этих двух мощностей (или соответствующих им сил
звука) характеризует ослаблен’и е звука при его прохожде-
нии через стену. Практически удобнее рассматривать измене-
ние уровня звука, то есть выражать в децибелах разность
уровней звука, падающего на стену, и звука, проникающего через
нее; эта величина называется звукоизоляцией стены.
Такие же рассуждения приложимы не только к звукоизоляции
степ, но и к любым другим защищающим конструкциям, однако
в предположении, что дело касается изоляции от воздушного
звука. По отношению же к корпусному звуку понятие звукоизо-
ляции в обычном смысле слова теряет свое значение, поскольку
колебания конструкций, являющиеся источником помех, вызы-
ваются не падением иа них звуковых волн, но непосредственным
механическим воздействием. Поэтому эффективность тех или
иных мероприятий, направленных к ослаблению корпусного звука,
можно оценивать только
Рис. 62. К определению средней зву-
коизоляции
уменьшением уровня гром-
кости шума, проникающего
в помещение за счет рас-
пространения вибраций.
Весьма существенным яв-
ляется то обстоятельство,
что звукоизоляция всех
без исключения строитель-
ных элементов зависит от
частоты и в полосе практи-
чески важных частот ме-
няется в очень широких
пределах. Поэтому для ис-
черпывающего суждения о
звукопроводности строи-
тельных конструкций ну-
жно знать частотную
характеристику зву-
коизоляции. Для нужд
расчетной практики достаточно ограничиться диапазоном частот
от 100 до 3 000 гц; на более низкие частоты приходится очень не-
большая часть энергии шумов, при частотах же выше 3 000 гц
звукоизоляция (по причинам, которые будут выяснены позже) ока-
зывается настолько большой, что ею можно не ннтересоваться.
В очень многих случаях расчет акустической изоляции опери-
рует только средними значениями в диапазоне частот от 100 до
3 000 гц. Способ определения среднего значения поясняется гра-
фиком рис. 62. Сплошная линия изображает частотную характе
ристику звукоизоляции некоторой конструкции; пунктирная пря-
мая определяет высоту прямоугольника, опирающегося на отрезок
оси частот от 100 до 3 000 гц и имеющего площадь, ^равную за-
штрихованной площади, лежащей под характеристикой в той же-
области частот. В рассматриваемом примере высота равновеликого
прямоугольника соответствует отметке 42 дб; эта величина опре-
деляет так называемую планиметрическую среднюю
звукоизоляцию той конструкции, характеристика которой
изображена на рис. 62.
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
Планиметрические средние значения звукоизоляции различных
конструкций, наиболее часто встречаемых в практике строитель-
ства кинотеатров, а также звукоизоляции дверей и окон приво-
дятся в нижеследующей таблице. ,
7. Стены и .перекрытия
Конструкция
!Плотная кирпичная кладка в 1/2 кирпича. .
То же, в 1 кирпич......................
То же, в Н/з кирпича....................
То же, в 2 кирпича.....................
Шлаковые блоки оштукатуренные .........
Шлако-бетонные блоки . . . ...........
Бетонная стена..................... . . .
Перегородка из деревянных брусков, дере-
вянная обрешетка, гипсовые шероховатый
и темный слои, гладкая белая отделка . .
Перегородка внутренняя деревянная . . . .
Комнатная перегородка двойная (бруски, тес,
штукатурка) . . . ............
Перекрытие из деревянных балок с накатом
черного пола и паркетом; обшивка доска-
;ми; оштукатуренный потолок............
То же, с засыпкой золы.................
То же, с заполнением глиной ...........
Бетонное перекрытие на балках ......
Железобетонное перекрытие (10 см)': снизу
штукатурка (1 см), сверху ксилолит (2 см)
и пропитанный битумом войлок...........
Тол- щина (в см) Вес (б кг1м2) Зв*у ко- иао- ляция (б дб)
14 230 47
27 450 53
39 650 56
52 870 50
20 274 56
10 157 47
—• 127 41
— 85 38
— — 15
18 88 40
29 44
26 160 40
2э 200 50
12 — 58
13 300 56
2. Двери и окна
Конструкция
Средняя
звукоизо-
ляция (в дб)
Дверь сосновая толщиной 4,3 см с нормальной сте- I
пенью неплотности в сборке.................... . . . |
То же, без неплотностей в сборке................;
Двери деревянные двойные на расстоянии 11,5 см при
плотном притворе............................... •
Двери двойные с тамбуром; каждая дверь из двух
слоев с войлочной прокладкой и листом желеЗа
между слоями.......................................
Окно обычное U/jXWj м............'................
ГГо же, завешанное плотным занавесом..............
Юкно двойное IV2X IV2 ............................
ГГо же, завешанное плотным занавесом...............
Юкна смотровые и проекционные двойные на расстоя-
1 нии 8—10 см друг от друга.......................
20
25
40
45
20
24
36
39
35
УРОВЕНЬ ШУМОВЫХ ПОМЕХ
Расчет помещения на акустическую изоляцию сводится обычно
к тому, чтобы по величинам звукоизоляции, определенным для
тех или иных элементов строительной конструкции, вычислить
уровень мешающего шума. При выполнении такого расчета необ-
ходимо учитывать общее поглощение звука в защищаемом поме-
щении, так как уровень шумовых помех существенно зависит не
только от проникающей в помещение акустической мощности, но
и от общего звукопоглощения в нем. Действительно, мы знаем
<см. стр. 74), что плотность диффузно перемешанной энергии,
а значит, и уровень соответствующего- звука зависят от ' обоих
перечисленных факторов.
Приведем конкретный пример, наглядно поясняющий роль об-
щего звукопоглощения в изолируемом помещении. Пусть смотро-
вые и проекционные окна, дающие звукоизоляцию 35 дб, защи-
щают зал от проникновения из аппаратной шума, уровень кото-
рого примем равным 80 дб. Уровень шума, проникшего в зал из
аппаратной, вовсе не будет равен 80—35 = 45 дб, как это может
показаться на первый взгляд; если мы учтем, что общая площадь
смотровых окон составляет примерно 0,5 м2, а общее поглощение
в зале эквивалентно, скажем, 300 м2 открытого окна, то ока-
жется, что поверхность, полностью поглощающая звук, в 600 раз
превышает поверхность окон, через которые проникает шум. По-
этому сила проникшего из аппаратной шума будет -во- столько раз
меньше той, которая соответствует уровню 45 дб, во сколько
общее поглощение превышает площадь пропускающих шум стекол;
в нашем примере — 'в 600 раз. Отношению 600 соответствует раз-
ность уровней 27,8 дб; поэтому уровень помех, проникающих в зал
из аппаратной, будет равен 45—27,8= 17,2 дб.
Таким образом мы видим, что при заданной звукоизоляции
строительной конструкции и при заданном уровне внешнего шума
уровень помех будет тем больше, чем больше проводящая поверх-
ность конструкции, и тем меньше, чем больше общее поглощение
в зале *.
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ ОДНОРОДНЫХ СТЕН
Попытаемся проанализировать факторы, определяющие звуко-
проводность однородных стен; этот случай особенно важен по-
тому, что он часто встречается в строительной практике — сюда
относятся не только однородные стены и перекрытия в строгом
смысле слова (сплошные кирпичные стены, бетонные перекрытия
и т. д.), но и конструкции, составленные из материалов, более
или менее однородных по своему акустическому сопроти-
влению** (железобетон, оштукатуренные деревянные переборки
и т. п.).
Механизм проникновения звука через однородную прегради
сводится к тому, что на границе между воздухом и Преградой
звуковая волна претерпевает преломление: преломленная волна
распространяется в материале преграды. Йо так как во всех прак-
тически интересных случаях преграда имеет толщину, которая
очень мала по сравнению с длиной звуковой волны, распростра-
няющейся в твердом теле, то фазы этой волны на одной и на дру-
гой стороне преграды весьма мало отличаются друг от Друга, а
это означает, что под .воздействием падающего звука преграда ко-
леблется, как мембрана. Перенос звуковой энергии через преграду
обусловлен по существу дела тем, что она излучает звук в защи-
щаемое ею помещение. Правда, амплитуды вызываемых, звуком
колебаний ничтожно малы: так, например, стена в 1/4 кирпича
при воздействии звукового давления в 10 бар колеблется на !
частоте 100 гц с амплитудой порядка 0,00001 см (0,1 ц*.
Зато излучающая поверхность имеет, как правило, очень значи-
тельные размеры, вследствие чего акустическая мощность, излу-
чаемая стеной в помещение, не так мала, как это может пока-
заться «а первый взгляд.
Зная, каким образом происходит передача звуковой эяергии
через однородную преграду, мы можем легко сообразить, какие
факторы определяют величину звукоизоляции.
Очевидно, что- излучаемая поеградой мощность будет зави-
сеть от амплитуды колебательной скорости (см. добавяение 3):
так как собственная частота преграды лежит очень низко, то в
* Расчет показывает, что суммарный уровень шумовых помех, проникаю*
щих из смежных помещений, должен вычисляться по формуле:
10 [1g (•$? IO0’1 W-ft) + 52.100,1(A'2-D2) + ...) _ 1g Д] jD6.
Здесь ec'rib одна из поверхностей ограждения со звукоизоляцией Nt~~
уровень шум^, падающего извне на поверхность S2, D2, ?те же величины
для второй ограждающей поверхности и т. д. Величина А есть общее звуко-
поглрщэние, в огр аждаемом помещении.'
** Акустическим сопротивлением среды называется величина, измеряемая
троизвэдением плотности среды на скорость звука в ней.
еб
1 В. В. Фурдуев
97
интересующем .нас частотном диапазоне колебательная скорость
преграды определяется ее инерциальным сопротивле-
нием (см. добавление 4). Поэтому амплитуда колебательной ско-
рости преграды будет тем
от фундамента здания воздушными промежутками, и от грунта —
слоем мягкого материала (битуминизированный войлок между
листами пергамина). При низких частотах вибрации машин изоля-
Рис. 63. Звукоизоляция однород-
ных преград
меньше, чем выше частота
колебаний и чем больше
масса преграды. Отсюда
ясно, что звукоизоля-
ция должна расти с
частотой, а при задан-
ной частоте зависит толь-
ко от веса преграды. Чем
тяжелее стена, тем лучше
она изолирует от внешних
звуков; вес стены на еди-
ницу площади является
основным и важнейшим
фактором, определяющим
перёкрытий зависит, очевидно,
звукоизоляцию однородных
преград.
Среднее планиметриче-
ское значение звукоизоля-
ции однородных стен и
только от веса на единицу пло-
щади; если ^известен этот вес, то средняя звукоизоляция может
быть определена, хотя и ориентировочно, независимо от матери-
ала стены. Для такого ориентировочного определения служит гра-
фик рис. 63, дающий зависимость средней звукоизоляции от веса
иа единицу площади (в ка/jii2).
ЗАЩИТА ОТ ВИБРАЦИИ
Как уже упоминалось, корпусный звук представляет собой ре-
зультат распространения вибраций через твердые тела — почву,
фундамент здания, стены, перекрытия и т. д. Эти колебания
распространяются с очень малым затуханием: от 0,001 <5б/лг (же-
лезо, сталь) до 0,1 дб/м (бетон, дерево) в области частот
100—1 000 гц. Наиболее рациональной защитой от корпусного,
звука является поэтому устройство разрывов на пути распро-:
странения вибраций. Эти разрывы заполняются материалами со
сравнительно малым акустическим сопротивлением.
Например, для ограждения фундамента здания от вибраций, вы--
зываемых движением уличного транспорта и распространяющихся
через грунт, принято изолировать фундамент от почвы проклад-
ками из битуминизированного пергамина или иного материала
с малым акустическим сопротивлением. Подробное рассмотрение
этих чисто строительных мероприятий выходит, однако, за рамки
настоящей книги. Несколько подробнее мы остановимся только на
защите от вибраций машин, работающих в пределах здания —
вентиляторов, мотор-генераторов и т. п.
Основное условие защиты от корпусного звука, связанного с
работой машин, заключается в хорошей изоляции их опор от
фундамента и грунта. На рис. 64 показано в виде пример»
устройство фундамента под мотор-генератор. Его цоколь отделен
Рис. 64. Схема защиты от вибрации моторгеке-
ратора
ция может быть достигнута применением упругих рессор (аморти-
заторов), поглощающих колебания машины.
Необходимо, однако, иметь в виду, что вибрирующая машина-,
покоящаяся на упругом основании, представляет собою коле-
бательную систему, масса которой определяется весом машины, а
упругость—размерами, формой и материалом амортизаторов. Эта
система совершает вынужденные колебания под действием инер-
циальных сил, возникающих при работе машины. Если частота
воздействия этих сил приближается к собственной частоте си-
стемы, то при малой величине затухания амплитуда колебаний
резко возрастает, что может привести не только к ухудшению
изоляции, но и к выходу машины из строя в результате поломки.
Для предотвращения резонансных колебаний амортизаторы
проектируются так, чтобы собственная частота системы лежала
значительно ниже частоты вибраций, создаваемых работой ма-
шины. Однако, даже и при соблюдении этого условии, система
должна обладать достаточно большим активным сопротивлением;
в противном случае могут иметь место опасные вибрации при
разгоне машины, когда частота воздействующих на систему сил
медленно возрастает до нормального значения, проходя при этом
через резонансную частоту.
98
7*
ДОБАВЛЕНИЯ
1. ШКАЛА ДЕЦИБЕЛОВ
Характерная особенность человеческого слуха заключается в
том, что ухо одинаково реагирует на одинаковые относитель-
ные изменения силы звука. Так, например, установлено, что ми-
нимально заметное (в обычных условиях) приращение громкости
вызывается увеличением силы звука всегда в одном и том же
отношении, именно в 1,26 раза, то есть на 26%. Поэтому, если
мы хотим построить шкалу сил звука, соответствующую указанной
особенности слуха, то мы должны построить ее с таким расчетом,
чтобы переходу на одно деление шкалы соответствовало измене-
ние силы звука не на определенное число единиц, а в опреде-
ленное число раз. Шкалы такого устройства в отличие от
обычных линейных шкал называются логарифмическими.
Это название связано с тем, что, как известно, при увеличении
любого числа в одном и том же отношении его логарифм увели-
чивается на одно и то же число единиц (вспомним, например,
что lglO = 1; IglOO = 2; Igl ООО = 3 и т. д.).
Отсюда становится понятным, почему в технической акустике
и в связанных с нею областях техники силу звука принято выра-
жать в особых логарифмических единицах, получивших название
децибелов. За нулевую точку шкалы децибелов, по которой
оценивается сила звука, принимается сила звука
Jo = W—lGem/cM2
Это — та сила звука, которая в области средних частот
(точнее—при частоте 1 000 гц) минимально необходима для того,
чтобы вызвать слуховое ощущение. Каждое десятикратное увели-
чение этого значения соответствует изменению уровня звука на
1 бел. Приращение уровня на 1 децибел (дб) соответствует уве-
личению силы звука в 1,26 раза. Так как десятикратно повто-
ренное увеличение какой-либо величины в 1,26 раза дает в
результате возрастание этой величины в 10 раз, то есть
1,26- 1,26-1,26- 1,26- 1,26-1,26- 1,26 • 1,26 • 1,26 • 1,26 = 10,
то можно сказать, что децибел есть десятая часть бела.
Величина, которую принято называть уровнем си л ы
звука, подсчитывается по формуле:
АГ=10 Igy.
Jo
где J— сила звука, уровень которой требуется вычислить. Так
как сила звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового
давления, то уровень силы звука можно подсчитывать и по
формуле:
^1° ig(v)2^20
\ ГО/
где р—амплитуда давления измеряемого тома, а ро=2_, 10^ бар-
амплитуда давления при силе звука /0 = 1(Г1Й вт!см2.
Заметим еще, что измерение величины, характеризующей гром-
кость звука, производится путем субъективного сравнения этого
звука с эталонным тоиом, имеющим частоту 1 000 гц. В процессе
сравнения сила эталонного тона, даваемого специальным генера-
тором (зуммером), регулируется до тех пор, пока эталонный тон
не будет казаться равногромким с измеряемым. Уровень
силы эталонного тона, равногромкого с измеряемым звуком, на-
зывается уровнем громкости этого последнего.
Понятно, что не только акустические, но и электрические мощ-
ности (токов звуковой частоты) можно оценивать по шкале деци-
белов. Если Pi и Ра — два значения электрической мощности, (/,
и 1)г, Jt и J2 — соответствующие им напряжения и силы токов
(амплитудные или эффективные), то разность уровней этих
двух мощностей вычисляется по формулам:
р (j j
TV^IO lg-^=20 lg~—. 20 lg^-.
2. КЛИРФАКТОР
Всякое амплитудное (или, иначе, нелинейное) искажение со-
стоит в том, что в результате его появляются паразитные колеба-
ния с частотами, не содержащимися в спектре воспроизводимого
колебания. В частности, если на вход системы, вносящей ампли-
тудные искажения, подается чисто синусоидальное колебание ка-
кой-либо природы с частотой f
х г— xt sin 2.1 //
(t—время), то колебание на выходе системы
У~У1 sin (2-А + ?i) 4 Уг sin (2я-2//-{- ?2) -р
-т- v3 Sin (2.1 - 3ft - I- ?3) — -t-...
содержит помимо основной частоты / еще и колебания с
кратными частотами 2/, 3/.., называемые второй, третьей и т. д.
гармониками основной частоты (величины у, т,_.. —
это начальные фазы основного, колебания и гармоник).
В качестве меры амплитудного искажения принимают величину
клирфактора, .
У1
которая представляет собой отношение среднего геометрического
значения амплитуд гармоник У Уз2 F У1 + к амплитуде у1
100
101
основного колебания; отношение это после умножения на 100
выражается в процентах. !.
В том случае, когда клирфактор одинаков для всех частот
основного колебания (случай частотно независимого клнрфактор!
мы имеем, например, в усилительных устройствах), максимально
допустимое значение клирфактора ие должно превышать 4—5%.
При преобладающем искажении в области низких частот (как
это типично для громкоговорителей) предельно допустимый клнр-
фактор может быть значительно выше.
4. МЕХАНИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
КОЛЕБЛЮЩЕГОСЯ ТЕЛА
Большое число механических колебательных систем,
рыт;и мы встречаемся в технической
щей простейшей схеме
(рис. 65): внешняя перио-
дическая сила
практике, сводится
с кото-
следую-
3. СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И АКУСТИЧЕСКАЯ
МОЩНОСТЬ
Всякий звукоизлучатель (в частности, диффузор громкоговори-
теля) представляет собою колеблющуюся поверхность. Эта по-
верхность, двигаясь, создает в окружающей упругой среде возму-
щения (сжатия и разрежения), распространяющиеся в виде зву-
ковой волны. Совершая работу против сил избыточного давления,
действующих иа колеблющуюся поверхность со стороны окружаю-
щей упругой среды, излучатель отдает в среду звуков у.ю, или,
иначе, акустическую мощность. Полезная акустическая
мощность есть среднее значение работы, совершаемой излучате-
лем за 1 сек.
Если бы сила сопротивления среды (обозначим ее через О)
была постоянна (так было бы в том случае, когда поверхность
совершает не колебательное, а поступательное движенце с неко-
торой скоростью г), то мощность, поглощаемую средой, можно
было бы вычислить по известной формуле механики.
к
Рис. 65. Частотная характеристика
механического сопротивления (сплош-
ная кривая) и амплитуды колебатель-
ной скорости (пунктирная кривая)
/? = /?osin 2~.ft
if — частота, t — время)
приложена к телу с мас-
сой т, удерживаемому в
положении равновесия пру-
жиной. При смещении те-
ла на величину х из по-
ложения равновесия пру-
жина развивает возвра-
щающую силу sx, пропор-
-циоиалы.ую смещению х;
коэффициент s называется
уп ругостью
Примем, кроме того, что
при движении
преодолевает
яие (
может быть сопротивление
в установившемся режиме тело совершает при этих условиях ко-
лебательное движение с частотой внешней силы (/) и с амплиту-
дой скорости
пружины.
тела оно
сопротивле-
(в частности, это
излучения). Расчет показывает, что
Р — QV.
ч
Сила, действующая на движущуюся поверхность, при неболь-
ших скоростях пропорциональна скорости дзижения
Q = r-V.
Коэффициент г. численно равный той силе, которая действует
па‘ движущуюся поверхность при г == 1 см/сек, называется со-
противлением среды; в том случае, когда сила Q — реакция
среды иа колеблющуюся поверхность, величина г называет-
ся сопротивлением излучения. Заменяя 'в .формуле мощ-
ности Q на tv, получим:
Р = rV2.
]3 случае акустического излучателя скорость v не постоянна, а
все время меняется. Поэтому в формулу должно войти среднее
1) ~
значение величины V2, которое, как показывает расчет, равно ”
4
причем через V $ обозначено максимальное (амплитудное)
значение колебательной скорости. Сделав эту подстановку, мы
с
P^^Vlr.
получаем формулу:
Величина, стоящая в знаменателе нашей формулы, называется»
механическим сопротивлением колеблющегося тела.
Мь видим, что это сопротивление складывается (только не ариф-
метически, а геометрически) из трех частей:
1) часть г называется активным сопротивлением (это — со-
противление трения, сопротивление излучения или и то и другое
зместе);
2) часть 2rfm называется инерциальным сопротивле-
нием колеблющейся массы;
3)
часть
называется упругим сопротивлением пру-
жины (или, в более общем случае, тех деталей системы, которые
удерживают ее в положении равновесия).
В очень многих случаях (в частности, и в случае диффузорного
громкоговорителя) активное сопротивление г не велико. При
103
этом ход частотной характеристики механического сопротивления
определяется следующими соображениями.
(4 \
значительно преобладает над инерциальным ( 2 r.fm ). Можно
приближенно считать, что
— и
2й/
При этом (см. левую часть графика рис. 65) механическое со-
противление обратно пропорционально частоте, а амплитуда ско-
рости растет с частотой.
По мере приближения к частоте
упругое сопротивление постепенно уравновешивается инерциаль-
ным, так как они имеют противоположные знаки. Простая под-
становка показывает, что на частоте /0 упругое и инерциальное со-
противления взаимно уничтожают друг друга/2г/()га--— ~0|:
при этом Г'
z~r U
Механическое сопротивление имеет наименьшую величину, а
амплитуда скорости — наибольшую. Эти условия лосят название
резонанса; частота /0 есть частота собственных (свобод-
ных) колебаний системы.
При частотах, лежащих выше частоты резонанса (/0), инер-
циальное сопротивление преобладает иад упругим. В области;
достаточно высоких частот (/^/о) можно приближенно считать,
что механическое сопротивление имеет чисто инерциальный ха-
рактер:
z~2~ftn и
2-jtn
При этом (см. правую часть графика рис. 65) механическое
сопротивление прямо пропорционально частоте, а амплитуда ско-
рости обратно пропорциональна частоте. Именно в этом режиме
и должна работать подвижная система диффузорного громкого-
ворителя.
5. ПОКАЗАТЕЛЬ И ДЕКРЕМЕНТ ЗАТУХАНИЯ
Всякая реальная колебательная система, будучи возбуждена
начальным толчком, совер.шает затухающие колебания; с ка-
ждым новым циклом колебательного движения его размах
уменьшается.
Желая характеризовать быстроту затухания колебаний, мы
можем определить тот промежуток времени, в течение которого
амплитуда колебаний уменьшается в определенное число раз-
По соображениям математического удобства принято выбирать
время t, после которого амплитуда уменьшается в 2,718 раза;
эта величина называется постоянной времени колебатель-
ной системы.
Учтем, однако, что чем больше постоянная времени («), тем
медленнее затухает колебание; поэтому в качестве меры затуха-
ния удобнее взять обратную величину
ь-^-L.
t
Эта величина называется показателем затухания; че?т
она больше, тем быстрее затухает колебательный процесс.
Нетрудно выяснить, от каких факторов может зависеть по-
казатель затухания. Во-первых, он должен быть тем больше, чем-
больше сопротивление (г), определяющее величину тормозящей
силы; во-вторых, он должен быть обратно пропорционален
массе колеблющегося тепа (т), так как всякое сопротивление
тормозит движение тем медленнее, чем больше масса движущегося,
тела.
Расчет дает для показателя затухания формулу:
период.
систем
и, следовательно, вдвое больший
1
времени t — — амплитуда обеих
то же число раз (2,718). Однако первая
этот промежуток времени вдвое меньшее
Ъ — .
2га
Простое расужденпе покажет нам, однако, что мы не учли
еще одного довольно важного обстоятельства. Вообразим, что две
колебательные системы, имеющие один и тот же показатель за-
тухания, колеблются с различными собственными частотами; пусть,
например, первая система имеет собственную частоту, вдвое более
низкую, чем вторая,
Через промежуток
уменьшится в одно и
система совершит за
число полных колебаний, нежели вторая, а это означает, что пер-
вая система расходует свой запас энергии вдвое быстрее, чем
вторая, несмотря на одинаковый показатель затухания. Желая
учесть и это обстоятельство, мы можем условиться измерять по-
стоянную времени не в секундах, а выражать ее через период,
колебания Т; величина
t
п —
Т
104
165
докажет нам, через сколько периодов амплитуда колебаний
уменьшится в выбранное число раз. Величина, обратная п,
. 1 7 ь-г
а ~ — — — ~ЬТ
п t
называется декрементом затухания. Подставляя в эту
формулу ранее найденное значение Ь и заменяя Т на —
Уо
^вспомним, что период и частота — это взаимно обратные ве-
личины), мы получим для декремента затухания формулу:
2/о"'
Сравнивая снова наши две системы, мы видим теперь, что
первая из них, имея вдвое меньшую собственную частоту /0,
обладает поэтому вдвое большим декрементом; это как раз и со-
гласуется с тем, что она вдвое быстрее расходует свою энергий».
Если г — сопротивление излучения, то декремент определяет
способность системы отдавать энергию в окружающую среду в
форме звуковых воли; чем эффективнее излучает звук колеблю-
щееся тело, тем больше его декремент.
6. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФФРАКНИЯ ЗВУКА
Волновая природа звука наиболее отчетливо обнаруживается
•в явлениях, связанных, во-первых, с наложением друг на друга
нескольких колебательных процессов одного и того же периода и,
во-вторых, с распределением амплитуд колебаний в среде возле
какого-либо препятствия, нарушающего свободное распространение
•акустического процесса.
Первая группа явлений объединяется под общим названием
интерференции звука. Представим себе, что в некоторую
точку звукового поля приходят две волны от одного и того же
источника, прошедшие пути различной длины (в частности этими
двумя волнами могут быть прямая волна и волна, отраженная от
какого-либо препятствия, или же волны, излучаемые передней и
оборотной сторонами диффузора громкоговорителя). Если эти волны
приходят в рассматриваемую точку с одной и той же фазой, то
сжатие, создаваемое одной из них, усиливается сжатием, созда-
ваемым второй волной; точно так же усиливают друг друга и раз-
режения, создаваемые обеими волнами. В этом случае интерферен-
ция обеих накладывающихся друг на друга воли приводит к сло-
жению амплитуд интерферирующих колебаний. Но если волны
приходят в выбранную точку с противоположными фазами, то сжа-
тие, создаваемое одной из волн, частично или полностью уничто-
жается разрежением, создаваемым другой волной. В промежуточ-
ных случаях интерференция двух воли приводит в зависимости от
соотношения их фаз либо к некоторому увеличению либо к умень-
шению амплитуды результирующего колебания.
106
Разбираясь в картине явлений интерференции в том или ином
частном случае, необходимо иметь в виду следующие основные за-
кономерности.
1. Если обе интерферирующие волны излучаются с одной и
той же фазой, то:
а) результирующее колебание усилено, если разность путей,
проходимых волнами до точки наблюдения, равна произвольному
целому числу длин волн плюс отрезок меньший, чем */з длины,
волны, или больший, чем 2/з длины волны;
б) результирующее колебание ослаблено, если разность путей,
проходимых волнами до точки наблюдения, равна произвольному
целому числу длин волн плюс отрезок больший, чем ’/з, но мень-
ший, чем 2/з длины волны.
2. Если интерферирующие волны излучаются с противополож-
ными фазами, то:
а) результирующее колебание ослаблено, если разность путей,
проходимых волнами до точки наблюдения, равна произвольному
целому числу длин волн плюс отрезок меньший, чем */з длины
волны, или больший, чем 2/з длины волны;
б) результирующее колебание усилено, если разность путей,
проходимых волнами до точки наблюдения, равна произвольному
целому числу длин волн плюс отрезок больший, чем */з, но мень-
ший, чем 2/3 длины волны.
Что касается второй группы явлений, которые принято назы-
вать явлениями диффракции звука, то они сводятся в ко-
нечном счете к огибанию звуковыми волнами препятствий, стоя-
щих на пути их распространения. Физически причина огибания за-
ключается в том, что края препятствия становятся как бы вто-
ричными источниками возмущения, создаваемого падающей на пре-
пятствие волной; эти «вторичные» волны имеют возможность рас-
пространяться в тех областях, куда падающая На препятствие
«первичная» волна непосредственно не может проникнуть. Явле-
ния -огибания выражены тем более отчетливо, чем больше Длина
звуковой волны по сравнению с размерами препятствия.
Отсюда вытекают следующие основные факты, о которых
нужно помнить при рассмотрении диффракцнонных явлений:
1) любое препятствие, на которое падает звук, создает за
собою зону «акустической тени» только в том случае, если его
размеры велики по сравнению с длиной падающей волны; в про-
тивном случае препятствие практически нигде не ослабляет интен-
сивности колебательного процесса;
2) при падении звука на отверстия, размеры которых малы
по сравнению с длиной падающей волны, звуковая энергия прони-
кает через отверстия в количествах гораздо больших, чем этого
можно было бы ожидать, судя по размерам отверстия; это свя-
зано с дополнительной энергией «вторичных» волн, исходящих от
краев отверстий, малых по сравнению с длиной волны.
7. СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ СИСТЕМ
С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ МАССОЙ И УПРУГОСТЬЮ
Механические колебательные системы, о которых говорилось
в добавлениях 4 и 5, характеризуются тем, что входящие в них
масса и упругость пространственно обособлены друг от друга:
107
масса предполагается абсолютно жесткой (иеупругой), а Деталь,
развивающая возвращающую силу (например, пружина), имеет
массу настолько малую, что ею можно пренебречь по сравнению
с массой колеблющегося тела. Однако в ряде случаев масса
и упругость системы не могут быть разделены друг от друга.
Простейшим примером такой колебательной системы является
натянутая струна: каждый участок ее длины обладает массой, и
в каждом из них при изгибе струны развиваются упругие силы,
направленные к возвращению ее в равновесное состояние. Подоб-
ные системы называются системами с распре д_е л е н-
иыми параметрами (массой и упругостью); помимо струны
можно указать в качестве примеров на такие системы, как ко-
леблющиеся мембраны или пластинки, диффузоры громкоговори-
телей. воздушные столбы или полости (например, органные трубы,
полости медных музыкальных инструментов, наконец, воздушные
объемы закрытых помещений).
Картину собственных колебаний систем с распределенными
параметрами легче всего представить себе на примере струны.
Представим себе, что струна выведена из состояния равновесия
(например, щипком или ударом), а затем предоставлена самой себе.
От того места струны, где было .создано какое-то нарушение
равновесия, побегут в обе стороны волны поперечного возмущения;
дойдя до неподвижно закрепленных концов струны, эти волны
отразятся обратно и будут двигаться друг другу навстречу. Нала-
гаясь друг на друга, обе серии волн интерферируют друг с дру-
гом, причем там, где они имеют одинаковую фазу, они усиливаются,
а там, где их фазы противоположны, -они взаимно уничтожают
друг друга.
Процесс, получающийся при интерференции двух встречных
воли одной и той же амплитуды, называется стоячей волной;
места, в которых встречные волны усиливают друг друга, иазыва-
ваются п уч и о с т я м и, а места взаимного уничтожения встреч-
ных воли — узлами стоячей волны.
Таким образом возбуждение собственных колебаний систем с
распределенными параметрами сводится к возникновению стоячих
волн с иаким-то распределением пучностей п узлов колебатель-
ного движения.
Нетрудно далее понять, что длина этих стоячих волн (под
длиною стоячей волны принято понимать удвоенное минимальное
расстояние между смежными узлами или пучностями), а следова-
тельно, и частота собственного колебания, не могут быть совер-
шенно произвольными.
Например; па струпе могут устанавливаться стоячие волны
только таких длин, при которых па концах струны находятся
узлы колебаний (так как закрепленные точки концов неподвижны
и ие могут колебаться). Длина стоячей полуволны при собствен-
ных колебаниях струны может равняться либо длине струны, либо
половине этой длины, трети, четверти, и т. д. Каждому из этих
случаев будет соответствовать определенная собственная частота,
причем низкая (основная) частота соответствует наибольшей
длине стоячей волны; все остальные частоты будут в целое число
раз больше основной (они называются гармониками основ-
ной частоты).
108
Картина стоячих волн, соответствующих собственным- колеба-
ниям мембран, диффузоров, воздушных объемов произвольной
формы и т. д., несравненно сложнее. Собственные частоты таких
систем уже ие образуют гармонического ряда; их совокупность
носит название спектра собственных частот, причем
этот спектр мы называем тем более плотным, чем меньшими
интервалами отделены друг от друга собственные частоты
системы.
Отметим, что каждая система с распределенными параметрами,
имея неопределенно большое число собственных частот, можег
возбуждаться не только па какой-либо одной из них, но одновре-
менно иа очень многих.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Предисловие...................:............/. . . 3
Глава I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРОМКОГОВОРИ-
ТЕЛЯХ
Типы громкоговорителей....................... 5
Номинальная элекгрическая мощность........... 6
Отдача и чувствительность ................... 6
Частотные искажения ......................... 8
Амплитудные искажения........................ 9
Направленность............................... 10
Измерения громкоговорителей.................. 10
Глава И. КОНУСНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
Устройство и принцип действия................. 12
Сопротивление................................. 17
Отдача и чувствительность..................... 18
Частотные искажения........................... 21
Гофрирова! ные диффузоры................... . 27
Амплиту щые искажения......................... 28
11арамстрические искажения.................... 28
Размеры и форма щита для громкоговорителя ... 30
Фазоиивертер.................................. 31
Фабричная аппаратура.......................... 33
Глава Ш. РУПОРНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
Назначение рупора............................ 34
Экспоненциальный рупор........................ 35
Криги ;еская частота . ’...................... 36
Уело-не частотно-независимой отдачи рупорного
громкоговорителя.............................. 38
Акустн еская трансформация.....................38
Устройство рупорного громкоговорителя..........40
Сопротивление ...»........................... 41
Отдача и чувствительность......................41
Частотные искажения........................... 42
110
Амплитудные искажения.................... 44
Громкоговорители с направляющим рупором . . . 45
Лабиринтные рупоры....................... 48
Модели фабричных рупоров . ‘............. 51
Направленность излучения рупоров......... 51
Глава IV. ГРОМКОГОВОРЯЩИЕ АГГРЕГАТЫ
Воспроизведение низких и высоких частот .... 52
Аггрегаты громкоговорителей............. 54-
Комплекто ;ание двухзьеиных аггрегатов... 54
Разделительные фильтры................... 58
Глава V. АКУСТИКА ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Акустические процессы.................... 61
Нарастание звука и реверберация...........63
Поглощение звука..........................66
Время реверберации....................... 71
Законы реверберации...................... 73
Плотность звуковой энергии в установившемся
режиме................................ 73
Глава VI. ОПТИМАЛЬНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ И
АКУСТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ
Влияние реверберации на акустическое качество
помещения............................. 75
Оптимум реверберации..................... 76
Реверберация и вместимость зала.......... 79
Акустическое отношение п фактор акустического
1 й'-ества............................ 81
Распределение прямой энергии по плошали мест. 84
Уровень воспроизведения и мощность электроаку-
стического тракта..................... 87
Глава VII. ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
И КОНСТРУКЦИИ
Дополнительное поглощение.............. • - 88
Пористые звукопоглощающие материалы...... 88
Щихы Бекеши.............................. 90
Перфорированные звукопоглощающие конструкции 91
Глава VIII. АКУСТИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
Основные понятия и определения...........
Справочные данные ... -.................. 95
Уровень шумовых помех ................... 96
Звукоизочядия однородных стен ........... 97
Защита от вибраций....................... 98
Itl
ДОБАВЛЕНИЯ
1. Шкала децибелов . ........................
2. Клирфактор . -............................
3. Сопротивление излучения и акустическая мощ-
ность .......................................
4. Механическое сопротивление колеблющегося
тела.........................................
5. Показатель и декремент затухания..........
6. Интерференция и диффракция звука..........
7. Собственные колебания систем с распределен-
ными массой и упругостью.....................
100
101
102
103
105
106
ЮТ
Редактор Н. ФЛАКС
А 12179. Подписано к печати 20/Х11 1944 г. Печ. листов 7. Учетно-изд. 9.
Знаков в 1 печ. листа 54 500. Тираж 5 000 экз. Изд. № 1243. Заказ № 550
з-я тип. «Красный пролетарий» треста «Пблаграфкнига» Огиза при СНК
РСФСР. Москва, Краснопролетарская, 16.
Отпечатано с набора в 6-й типографии Транежелдориздата НКПС Зак. 368