Элементы теории и метод проектирования экспоненциальных рупорных громкоговорителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.06, кандидат технических наук Авдеев, Александр Викторович

• Авдеев, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Авдеев, Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Критический анализ существующей теории (классической) экспоненциального рупорного громкоговорителя.

1.1. Рупор и его назначение.

1.2. Головка РГ.

1.2.1. Подвижная система головки РГ. Мембрана и воротник.

1.2.2. Акустическая трансформация. Предрупорная камера.

1.2.3. КПД упорного громкоговорителя.

1.2.4. Ограничение частотного диапазона.

1.3. Рупор.

1.3.1. Форма рупора. Образующая.

1.3.2. Волновое уравнение экспоненциального рупора.

1.3.3. Понятие критической частоты.

1.3.4. Частотная зависимость входного импеданса.

1.3.5. Направленность рупора. Вопросы её формирования. Дифракционные явления.

1.4. Искажения в рупорных ГГ.

1.4.1. Частотные искажения.

1.4.2. Нелинейные искажения.

1.5. Выводы. Постановка научной задачи.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Предварительный теоретический расчет.

2.2.1. Исходные данные для расчета.

2.2.2. Рассчитываемые параметры.

2.3. Изготовление макетов.

2.4. Условия проведение эксперимента.

2.5. Результаты эксперимента по «критической частоте».

2.6. Выводы по результатам эксперимента.

2.7. Исследование направленности.

2.7.1. Условия проведения эксперимента.

2.7.2. Полученные экспериментальные данные.

2.7.3. Предварительные замечания по снятым АЧХ.

2.7.4. Результаты эксперимента по направленности.

2.7.5. Выводы по результаты эксперимента с направленностью рупорных громкоговорителей.

2.7.6. Построение экспериментальной частотной зависимости КОК.

2.8. Влияние формы рупора на частотную характеристику модуля полного электрического сопротивления.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Форма волнового фронта в выходном отверстии конического рупора, направленность его излучения.

3.1.1. Расчет геометрических параметров.

3.1.2. Представление выходного отверстия конического рупора в виде излучающего поршня в бесконечном экране.

3.1.3. Определение частотной зависимости коэффициента осевой концентрации конических рупоров.

3.1.4. Выводы.

3.2. Форма волнового фронта в выходном отверстии экспоненциального рупора.

3.2.1. Расчет геометрических параметров.

3.2.2. Построение теоретической зависимости КОК экспоненциальных рупоров.

3.2.3. Выводы.

3.3. Исследование влияния рупора на механическое сопротивление акустико-механической системы громкоговорителя.

3.3.1. Прямое излучение диафрагмы рупорного громкоговорителя нормального типа, без предрупорной камеры и нагружающего рупора (подобно громкоговорителям прямого излучения).

3.3.2. Излучение диафрагмы рупорного громкоговорителя нормального типа через предрупорную камеру и начальное входное отверстие рупора.

3.3.3. Излучение головки рупорного громкоговорителя нормального типа через рупора различного профиля расширения.

3.3.4. Выводы.

3.4 Определение расчетной частотной зависимости уровня звукового давления.

3.4.1 Частотная зависимость нормированной величины активной составляющей сопротивления излучения рупора.

3.4.2. Определение уточненной теоретической частотной зависимости нормированной величины активной составляющей сопротивления излучения рупора.

3.4.3 Выводы.

Глава 4. Методика расчета экспоненциального рупорного громкоговорителя.

4.1. Расчет звуковой катушки (ЗК).

4.2. Определение размеров и параметров жесткой части (купола) диафрагмы.

4.3. Расчет воротника диафрагмы.

4.4. Определение размеров и параметров предрупорной камеры.

4.5. Определение КПД для средней части воспроизводимого диапазона и проверка максимального смещения, имеющего место на нижней граничной частоте.

4.6. Расчет основных размеров экспоненциального рупора.

4.7 Расчет профилей экспоненциального рупора.

4.8 Расчет частотной зависимости КОК.

4.9 Расчет частотной характеристики звукового давления (ЧХЗД).

4.10. Магнитная система.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Элементы теории и метод проектирования экспоненциальных рупорных громкоговорителей»

Рупорные громкоговорители (РГ) получили широкое применение в системах речевого оповещения, что объясняется рядом их достоинств -обеспечение достаточного частотного диапазона (3-4 октавы) для разборчивой передачи речи, высокий уровень характеристической чувствительности передаваемого сигнала, острая характеристика направленности во всём рабочем диапазоне частот и т.д. Существуют разнообразные РГ по форме своей образующей: а) конические б) параболические в) экспоненциальные г) гиперболические и др., однако наиболее часто применяемыми являются экспоненциальные рупора, в виду лучшего согласования активного сопротивления излучения в большем частотном диапазоне.

Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что комплексная методика расчета экспоненциального рупорного громкоговорителя, дающая достаточно точные выходные акустические параметры, как то эффективно воспроизводимый диапазон частот и характеристика направленности, особенно важных для такого типа излучателя, в настоящее время отсутствует. Существующие же методики расчета в ряде вопросов основываются на «спорных» положениях классической теории или же используют результаты опытных данных, теоретически пока никак необоснованных. Уточнение таких вопросов теории и соответствующее внесение корректировки в существующие комплексные методики расчета рупорных громкоговорителей позволит существенно сократить длительность разработки и проектирования разрабатываемых рупорных излучателей звука, особенно за счет сложного и длительного этапа макетирования и доводки параметров до необходимых и заданных.

Объектом исследования в работе являются рупорные громкоговорители с экспоненциальной образующей.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались метрологические измерения основных электроакустических параметров рупорных громкоговорителей. Все измерения проводились по существующим стандартам на измерения. Для численной обработки полученных экспериментальных результатов производился компьютерный расчет по составленным программам. Все представленные в работе графики частотных зависимостей основных параметров и характеристики направленности построены в компьютерном пакете ^ир1о1:, по самостоятельно составленным алгоритмам.

Научные положения, выносимые на защиту:

- отсутствие «критической» частоты обусловлено отсутствием плоского волнового фронта в экспоненциальном рупоре;

- необходим учет соколеблющейся (присоединенной) массы воздуха в начальном участке раструба рупора, что существенно влияет на частоту основного резонанса системы, а, следовательно, и на частотную характеристику звукового давления в области низких частот;

- КОК и характеристика направленности (ХН) РГ определяется не столько площадью выходного отверстия, а в большей степени «эквивалентным» углом раскрытия, имеющим частотную зависимость для экспоненциальных рупоров.

Целью работы является исследование ряда основополагающих вопросов теории экспоненциальных рупорных громкоговорителей, связанных с особенностями распространения звуковых волн в рупоре, путем: а) проведения серии экспериментов с дальнейшей соответствующей численной обработкой их результатов; б) получения новых теоретических зависимостей для основных акустических параметров экспоненциальных РГ на основе положений, отличных от классической теории; в) осуществления корректировки существующих методик расчета для создания на этой основе комплексной процедуры расчета таких излучателей.

Задачей диссертации является, на первоначальном этапе, анализ работ по теории рупорных излучателей и определение существующих «спорных» вопросов. После чего ставится постановка требований к исследованиям и проведение серии прямых экспериментов с макетами рупоров, позволяющих сделать выводы по этим вопросам на основании полученных экспериментальных данных. Далее следует этап проведения теоретической трактовки экспериментальных данных и создание математических моделей, способных адекватно описать особенности распространения звуковых волн в экспоненциальном рупоре.

Результатом работы служит создание комплексной методики расчета экспоненциального РГ с учетом исследованных в работе вопросов. Созданная методика составлена с использованием полученных новых выражений для расчета ряда основных качественных параметров РГ. Научная новизна работы.

В работе показано, что ряд классических положений теории рупорных громкоговорителей не соответствует практическим результатам, полученным путем проведения серии прямых экспериментов. В частности, это касается особенностей излучения звука в области низких частот и формирования направленности во всем эффективно воспроизводимом диапазоне частот

Даны обоснования новой теоретической трактовки расчета ряда элементов акустико-механической системы рупорных громкоговорителей. В частности, показана необходимость учета присоединенной массы воздуха, образуемой эквивалентной трубой в начальном участке экспоненциального рупора

Введено новое понятие «эквивалентный угол раскрытия рупоров» с различным законом изменения сечения, определяющий коэффициент осевой концентрации и другие параметры рупорных громкоговорителей, такие, как характеристики направленности и осевое давление на различных частотах воспроизводимого диапазона

Создана комплексная методика расчета экспоненциальных рупорных громкоговорителей, учитывающая исследованные в работе явления и полученные на их основе аналитические соотношения.

Практическая значимость работы заключается в создании комплексного метода расчета, способного дать достаточно точные выходные характеристики разрабатываемого излучателя с учетом выявленных закономерностей, такие как: эффективно воспроизводимый диапазон частот и характеристика направленности. Это способно значительно упростить длительную процедуру проектирования новых образцов, которые в настоящий момент требуют продолжительной экспериментальной доводки с использованием большого числа промежуточных макетов.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 1 приложения.

Заключение диссертации по теме «Акустические приборы и системы», Авдеев, Александр Викторович

3.4.3 Выводы

Анализируя полученные теоретические зависимости уровня звукового давления конических и экспоненциальных рупоров в параграфе 3.4 можно сделать ряд выводов:

1) для конических рупоров частотная зависимость активной компоненты механического сопротивления определяется сопротивлением излучения шаровой волны, с «действительным» радиусом излучателя большим, чем радиус входного отверстия,

2) увеличение длины конического рупора приводит к равномерному по всей частотной области увеличению звукового давления, за счет увеличения КОК, значение активной компоненты излучения при этом существенно не изменяется,

3) для экспоненциальных рупоров зависимость нормированной величины активной компоненты может быть также определена из выражения для шаровой волны, но с увеличенной степенью параметра ka в два раза; «действительный» радиус излучателя при этом существенно больше радиуса входного отверстия рупора,

4) увеличение длины экспоненциального рупора приводит к а) пропорциональному увеличению «действительного» радиуса излучателя, как следствие, существенному увеличению полезного нагрузочного сопротивления в области нижних частот б) расширению воспроизводимого частотного диапазона в область низких частот, средний уровень звукового давления в рабочем диапазоне частот существенно не меняется. Дело в том, что увеличение присоединенной массы воздуха экспоненциального рупора компенсируется к высоким частотам увеличением значения КОК для более длинного рупора, в сравнении с аналогичным экспоненциальным рупором, но меньшей длины. Подводя общий итог, можно сказать, что за эффективность и нижнюю граничную частоту воспроизведения для экспоненциального рупора отвечает ряд факторов:

1) прежде всего - его геометрические размеры (размер выходного отверстия и длина), которые влияют на частотные зависимости КОК и нормированной величины активной составляющей механического сопротивления рупора,

2) параметры излучающей головки, а именно, частота основного электромеханического резонанса.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОГО РУПОРНОГО ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

Будем считать, что исходными данным для расчета будут являться два основных электроакустических показателя:

1) Электрическая мощность рупорного громкоговорителя: Шэ,

2) Диапазон эффективно воспроизводимых частот (ограниченный допустимой неравномерностью на нижней и верхней граничной частоте): /н

За основу, при составлении порядка расчета, взята методика, представленная в литературе [8,13].

4.1. Расчет звуковой катушки (ЗК)

В соответствии с заданной мощностью и необходимым сопротивлением звуковой катушки (значение которого, как правило, лежит в пределах от 4 до 16 Ом) определяется номинальный ток по формуле:

1 = N ш

1С (4Л)

Далее задаются значением плотности тока звуковой катушки. Оно должно быть таким, чтобы условие на ограничение плотности тока у в обмотке звуковой катушки выполнялось. Оптимальное значение ] лежит в пределах

А А 70.80 --. Если j больше 80-- - используют больший диаметр провода. мм мм д

Если значение у меньше 70 -- (на 15-20 %), это свидетельствует о более мм легком режиме работы головки громкоговорителя.

Зная это, рассчитывается площадь сечения провода по формуле:

Яп = | (4-2)

По рассчитанной площади сечения провода определяем диаметр провода: =

4 ■ тт

4.3)

По таблице 4.1 типоразмеров провода в эмалевой изоляции марки ПЭТВ-1 (без учета толщины изоляции <1пр и с учетом толщины изоляции ёиз) выбираем соответствующие значения с1пр и с!из.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Произведенный аналитический обзор литературных источников по теме экспоненциальных РГ показал, что все они базируются на положении классической теории, предусматривающей наличие «критической частоты» экспоненциального РГ.

2. Проведена серия прямых экспериментов, позволяющих однозначно установить наличие или же отсутствие «критической частоты» в экспоненциальных РГ.

Так, экспериментально установлено, что «критической частоты» в рупоре с экспоненциальной образующей нет. Следовательно, можно утверждать, что внутри экспоненциального рупора звук распространяется с формой волнового фронта, отличным от плоского.

3. Осуществлены комплексные измерения направленности РГ с образующей в виде конуса и экспоненты. По результатам обработки экспериментальных данных показана взаимосвязь направленности с законом изменения площади сечения рупора.

4. По предложенной модели рассмотрения выходного отверстия рупора, как эквивалентного поршневого излучателя звука в бесконечном экране, получены выражения для расчета частотной зависимости КОК, параметра, напрямую характеризующего направленность.

5. Для экспоненциального РГ введено понятие «эквивалентного угла раскрытия», непосредственно определяющего величину КОК, получено выражение для расчета его частотной зависимости. Установлено общее выражение, позволяющее определить «эквивалентный угол раскрытия» для рупоров с различным законом изменения сечения.

6. Проведено экспериментальное исследование влияния на частоту основного резонанса нагружающего излучающую головку рупора. Показана необходимость учета в электрической эквивалентной схеме параметра присоединенной массы воздуха начального участка раструба рупора, который понижает частоту основного резонанса, тем самым расширяет эффективный диапазон воспроизведения в сторону низких частот. Осуществлена оценка значения этого параметра для экспоненциальных РГ.

7. Произведен поверочный расчет конечных выходных параметров для использованных в экспериментальной части работы РГ с учетом полученных в работе новых выражений. На основании сравнения с полученными экспериментально параметрами и зависимостями сделан вывод о возможности их применения при составлении комплексной методики расчета РГ.

8. Составлена комплексная методика расчета экспоненциального РГ, с учетом полученных теоретических и практических результатов работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Авдеев, Александр Викторович, 2012 год

1. Харкевич A.A. Электроакустическая аппаратура. -М.: Ленинград, 1933.

2. Фурдуев В.В. Акустика звукового кинопоказа. М.: ГОСКИНОИЗДАТ, 1945.

3. Фурдуев В.В. Электроакустика. М-Л.: ОГИЗ, 1948.

4. Фурдуев В.В. Акустические основы вещания. М.: Связь, 1960.

5. Хаясака Т. Электроакустика, М.: Мир, 1982.

6. Brociner V. Теория рупорных громкоговорителей. // Audio. 1971. - т.55. в.З. стр. 16-25.

7. Вахитов Ш. Я. Современные микрофоны. Теория, проектирование. -СПб.: Изд. СпбГУКиТ, 2003.

8. Вахитов Я. Ш. Электродинамические громкоговорители. Теория расчета. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Л., 1983.

9. Днепровская. Разработка рупорных громкоговорителей «Сирена». Эскизно-технический проект. Л., 1970.

10. BeranekL.L. Acoustics McGraw-Hill, 1954.

11. Hanna C.R., Slepian J. The function and design of horns for loudspeakers. // J.A.I.E.E. 1924. Vol. 23. Feb.

12. Вахитов Ш. Я., Ковалгин Ю. А., Фадеев A.A., Щевьев Ю.П. Акустика. -М.: 2009.

13. Вахитов Я. Ш., Смирнова H.A. Электродинамические громкоговорители. Расчет и проектирование. Л.: 1984.

14. Трофимов Ю.П. Численное решение задачи дифракции звуковых волн в рупорах с применением ЭЦВМ. // Вопросы радиоэлектроники. 1972, серия ТРПА, вып. 1.

15. Сахабиева Г. А., Сахабиев В. А. Учебное пособие по математике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005.

16. Иофе В. К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике. М.: Связь, 1979.

17. Бронштейн. И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: ГОСИЗДТЕХ-ТЕОРЛИТ, 1957.

18. Вахитов Я.Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. М.: Искусство, 1982.

19. Вахитов Ш.Я., Вахитов Я.Ш. Микрофоны. Телефоны. Гарнитуры. Теория, расчет, конструирование, эксплуатация. С-Пб., 2010.

20. Скучик Е. Основы Акустики. Том 1. М.: Мир, 1976.

21. Скучик Е. Основы Акустики. Том 2. М.: Мир, 1976.

22. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973.

23. Прохоров А.Т. Исследование гиперэкспоненциальных рупоров. // «Вопросы радиоэлектроники», серия VIII, ТРПА, 1964, вып. 1.

24. Нахутина Т.П. Экспериментальные исследования гиперэкспоненциальных рупоров. //Вопросы радиоэлектроники. 1964. Серия VIII, ТРПА, вып. 1.

25. Keele D. В. What's So Sacred About Exponential Horns? // Electro-Voice. May 1975.

26. Martin J. K. A Method for Designing a Compact Back Loaded Horn Loudspeaker System, 2012.

27. Лепендин Л.Ф. Акустика: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1978.

28. Mark U., Ted U. Altec Lansing Engineering Notes. // Technical Letter No. 262. Coverage of Multiple Mantaray Horns.

29. Дрейзен И.Г. Электроакустика и звуковое вещание. M.: Связьиздат, 1961.

30. John M. Horn Systems, Loudspeaker Handbook. 2nd edition. Springer, 2003.

31. Гутин Л.Я. Избранные труды. Л: Судостроение, 1977.

32. Martin J. К. Derivation of the Acoustic Impedance at the Mouth of a Horn, 2008.

33. Гутин JI.Я. О звуковом поле поршневых излучателей // Журнал технической физики. 1937. - Т.УП. - Вып.Ю - С. 1096-1106.

34. John М., Chris F. Radiating Elements // JBL Audio Engineering for Sound Reinforcement, JBL Pro Audio Publications, 2002.

35. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

36. Martin J. К. Horn Physics, 2008.

37. J. Dinsdale M.A. Unit for Precision Engineering, Horn loudspeaker design, WIRELESS WORLD, 1974.

38. Sanial A. J. Graphs for Exponential Horn Design. RCA Review.

39. Olson H. F., Hackley A. Combination Horn and Direct Radiator Loudspeaker // Proc. Vol. 24, No. 12, Dec, 1936.

40. Martin J. K. Design of a Front Loaded Exponential Horn, 2008.

41. Olson H. F., Massa F. A Compound Horn Loudspeaker // J. Acoust. Soc. Am., Vol. 8, July 1936.

42. Hanna C. R. Slepian J. The Function and Design of Horns for Loudspeakers //The Journal of the Audio Engineering Society 25, September 1977 -573-585.

43. ГОСТ P 53575-2009 Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний

44. ГОСТ Р 53033-2008 Громкоговорители рупорные. Общие технические условия

45. ГОСТ 16122-87 Громкоговорители. Методы измерения электроакустических параметров

46. Wente, Е., Thuras A., A High-Efficiency Receiver for a Horn-Type Loudspeaker of Large Power Capacity // The Journal of the Audio Engineering Society 26, March 1978 139-144.

47. Smith B. An Investigation Of The Air Chamber Of Horn Type Loudspeakers //The Journal of the Acoustical Society of America 25, March 1953 -305-312.

48. Martin J. K. Advanced Design of a Back Loaded Exponential Horn, 2008.

49. Murray, Fancher An Application Of Bob Smith's Phasing Plug // Presented at the 61st convention of the Audio Engineering Society preprint 1384, October 1978.

50. Dodd M., Oclee-Brown J. A New Methodology for the Acoustic Design of Compression Driver Phase-Plugs with Concentric Annular Channels // Presented at the 123rd Convention of the Audio Engineering Society, October 2007.

51. Martin J. K. A Mathematical Model for the One Dimensional Exponential Horn, 2008.

52. Martin J. K. Sound Radiation Pattern from the Mouth of a Horn, 2008.