直交する放射束を持つラウドスピーカーの設計。スキーム、説明

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直交放射束を備えたスピーカーの設計。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事では、前方放射と後方放射の直交する流れを使用したスピーカーの設計の簡略化された計算を提案しています。このスピーカーの動作機能については、記事「」で説明されています。スピーカーの音響短絡とその克服"("Radio"、2003、No. 1)。この音響設計の利点の XNUMX つは、ボックス内のウーファーヘッドの共振周波数が実質的に増加しないことです。

動電型ヘッドを備えたスピーカーの音響短絡を克服するためのオプションの 1 つは、直接放射に対して直交する逆放射流を備えた著者 [270] によって提案された設計です (簡潔にするために、この設計を「ORTHO」タイプと呼びます)。。頭部の逆（後方）放射の音響波は、スピーカー本体の体積全体を伝播し、反射の過程ですべての放射周波数で最大 1° の角度で方向を変え、時間遅延を生じます。正面から放射される波 (図 1 のベクトル A と B)。ヘッドの戻り放射の導波路が除外される場合、AO が開いているとき、スピーカーのディフューザーの外面と後面によって発せられる振動に対して音響補償が発生します。ハウジング、特にスピーカーの導波管では、図に示すように「フェアリング」で角を滑らかにすることをお勧めします。 XNUMX 点線で示します。

直交する放射線束を備えたスピーカーの設計

フロントパネル２は、音響振動がハウジングの横断面で反射されるときに生じる音響共鳴を平滑化するとともに、内部容積と導波管とを整合させるために、ハウジング１内に一定の角度で配置される。コンサートアコーディオンの響板を真っ直ぐ以外の角度で取り付けることは、前世紀の 2 年代後半にドイツの HOHNER 社によって初めて使用されました。この「壊れた」響板は楽器の音色を形成し、音に柔らかさとビロードのような質感を与えます。

ヘッドと導波管からの直接放射が直交するスピーカーでは、放射の総量は、何らかの同等のエミッターからの音の振動と考えることができます。たとえば、異なる周波数の高調波信号の場合、音響振動の直交する流れの可変位相が作用し、その結果、放射全体の顕著な方向 (「極」) が生じます (その数学的分析は非常に複雑です)。戻り放射の位相のあいまいさと、導波管内での減衰の違い（広い周波数帯域の場合）により、極は可動であるため、耳で位置を特定することはできません。

既知の AO バリアントを計算する公式 [2、3] は、記事 [1] で提案されているスピーカーの設計には不適切であることが判明しました。構造を計算するための便利で視覚的な方法を模索する際、動電型ヘッドの外径 D を設計基準とし、このパラメータを通じてスピーカー構造のすべての寸法を表現することにしました。これは、対応する技術文献がない場合の設計実践に非常に便利であることが判明しました。

大量の実験作業の結果、依存関係が確立され、それを使用して「ORTHO」スピーカーハウジングの任意のサイズを決定することが可能になりました。

指定は図に従って与えられます。 1：

H = (2...2,4)D - ボックスの高さ。 B = 1,2D - フロントパネルの幅。 F = 0,9D - 導波管スクリーン 3 の高さ。 h = 0,7D - ヘッド 5 の中心からフロントパネルの下端までの距離。 Do - 0,9D - ヘッドの穴の直径。 G = B - ハウジング 1 の深さ。 C = 1,8D - パネル高さ 2; M は、フロントパネルとボックスの壁の間の距離です。 b - 本体素材の厚さ。 S ≥ 0,5D2= M(B - 2b) - 導波管 3 の流れセクションの許容面積。

パネル 2 に XNUMX つ以上のダイナミックヘッドを取り付けることができます。その場合は、ディフューザー領域と導波路の断面積の比率を考慮してハウジングの寸法を調整する必要があります。

直交する放射線束を備えたスピーカーの設計

密閉ハウジングとは異なり、この設計では、頭部の後方放射のほぼすべての音響エネルギーが導波管を通って音響空間に出てしまうため、後方音の流れの音響的影響は弱くなります。この点において、厚さ 8 ～ 16 mm のチップボード (チップボード) または合板をスピーカーの材料として使用できます (100 W スピーカーの場合は、より大きなサイズが示されています)。これにより、スピーカーハウジングの軽量化が可能になります。その要素は、スラット、木材の接着に適した接着剤、およびネジを使用して互いに接続されています。ヘッド用の穴 Do の直径は、ディフューザー波形の外径と等しくなるように選択されます。穴はフロントパネルの垂直対称軸に沿って配置されています。

スピーカーのグリルとケースの仕上げは、アマチュア無線家の芸術的センスと能力に基づいて作成できます。保護グリルには、正方形の形状にカットされ、点支持体上に張られた細かいメッシュのメッシュを使用しました。保護布は、パネルの穴の内側に固定された金属リングに接着されています。バックカバー 6 は剛性がなければなりません。これは、ハウジング１の壁に設置されたレール７にネジで固定される。この場合、合わせ面は薄いシートゴムのテープでシールされる。本体１の下には硬質ゴム棒からなる支持体４がある。スピーカーエンクロージャーは床に直接置くよりも、高さ 7 m までのスタンドに設置することをお勧めします。「ORTHO」タイプの音響設計は、壁面設置はもちろん、天井設置にも効果を発揮します。

スピーカーはパッシブまたはアクティブ (UMZCH 内蔵) にすることができます。電気コネクタは後壁の下部に取り付けられています。

このようなスピーカーのドライバーの選択には特に注意が必要です。著者は国産のダイナミックヘッドの使用を推奨しています。そのリストと技術的特徴は[4]にあります。既知のタイプの AO と比較して、「ORTHO」タイプの構築されたスピーカーは、近距離空間でほぼ XNUMX 倍の音響パワーを発生します。この音響設計により、XNUMX つの直交する放射ストリームを取得することで、リスニングルームでより「ボリュームのある」サウンドを得ることができます。

ヘッド 5 (LF-MF) が十分な広帯域でない場合は、ハイパスフィルターを介して UMZCH に接続された高周波ダイナミックヘッドを導波管の外部スクリーンに取り付けることができます。そこにAC過負荷インジケータを取り付けることもできます。

このようなスピーカーでは、直径100〜450 mmの動電型ヘッドを取り付けることができます。著者は、機械的品質係数が低く、ディフューザー直径が大きい広帯域ヘッドを使用することを推奨しています。ヘッドの電気機械共振周波数における周波数応答が顕著に増加している場合、スピーカーのメーカーは、これが多くの不必要なトラブルと労力を生み出していることを理解する必要があります。

共振抑制は電気的または機械的に行うことができます。前者の場合、電気機械共振周波数に同調した並列発振回路をヘッドコイルと直列に接続する必要があります。回路の品質係数は、使用するヘッドの品質係数と一致する必要があります。適切な測定を実行するには、GOST 16122-70 に準拠した方法を使用して、オーディオ周波数発生器、電圧計、コンデンサーマイク、周波数計、インダクタンスおよびキャパシタンスメーターが必要です。ただし、頭の品質係数は決して一定の値ではないことに留意する必要があります。それはディフューザーの振動の振幅と機械式サスペンションの限られた柔軟性によって決まります。

電気機械共振を抑制する別の方法は、スピーカに音響損失を導入すること、ハウジングを脱脂綿、フェルトまたは他の同様の材料で満たすこと、またはスピーカの電気機械共振の周波数に同調された共振器を充填することによって実行される。

Helmgolyd共鳴器の周波数の計算は、式に従って実行されます

fr = 0,5/π-Cv√s/(VL),

ここで、V は共振器ケースの体積、m³; sは共鳴器出口の面積、m2です。 l は共振器の穴の長さ (メートル単位) です。 Cv - 空気中の音の伝播速度、340 m/s。

そのデザインにより、ヘルムホルツ共鳴器はボトルに似ています。ちなみに、バスレフを備えたスピーカーキャビネットも共鳴器です。これが、スピーカーから発せられる低周波音の再生に歪みを引き起こす原因となります。シンフォニーラジオのスピーカーには共振器が内蔵されており、楽器の種類に関係なく、低音域が非常に単調に、つまりドスンという音の形で再生されます。これにより、明らかに、前世紀の 30 年代にオープンケースのラジオ受信機で使用されていたこのようなスピーカー設計の使用が放棄されることになりました [6]。

「ORTHO」スピーカーは、実際には A と B の 1 つのサウンドストリームを発します (図 2)。したがって、音響測定は、上記の GOST で定義された一般に受け入れられている方法論とは異なる必要があります。各ストリームの音圧は、上記の機器を使用して、無響室、広い静かな部屋、または単に穏やかな天候の空気中で個別に測定されます。測定マイクとスピーカーの配置を図に示します。周波数特性を測定するためのスピーカの特性感度（能率）を測定するためのスタンドのブロック図を図２に示す。 3.

直交する放射線束を備えたスピーカーの設計

スピーカーを励起する信号発生器として、低インピーダンス出力を備えた強力なノイズ発生器 (タイプ G2-12 など) を使用できます。低電力ノイズ発生器を使用する場合は、UMZCH、できればトランスレスの UMZCH が必要です。スピーチや音楽のスペクトルは広帯域であり、信号はノイズに似ているため、スピーカーの周波数応答の形状は大幅に平滑化され、実際の状況と完全に一致することに留意する必要があります。

スピーカーと測定用マイクの間の距離は、r = (2...4)d の範囲内で選択されます。ここで、d はスピーカーディフューザーの平均サイズです。最も一般的に使用されるのは r = 1 m [2] です。

スピーカーに供給される電圧は、次の式で計算されます。

U=√0,1PnomRhom（3）

ここで、Pnom はスピーカーの定格出力です。 Rhom はスピーカーの公称入力インピーダンスです。

定格電力をテストする場合、正弦波電圧は定格電圧に等しく設定され、ノイズ電圧は定格電圧の 0,707 に設定されます。

音圧計は、ミリボルト計 PV1 (VZ-2 など) の入力に接続されたコンデンサーマイク VM33 です。音圧は周波数に依存するため、周波数応答の少なくとも 3 点で測定が実行されます。ノイズ信号を使用して測定を実行する場合は、図の図に従って測定スタンドに設置します。図３では、１／３オクターブフィルタが導入され、その中間周波数で音圧が測定される。これらのフィルターの数は、周波数応答の幅によって決まります。周波数応答に 1/8 オクターブより狭いディップとピークがある場合、それらは考慮されません。

測定された音圧の値は、式によって決定されます。

p \uXNUMXd Uo / Eoc、

ここで、Uo は測定マイクの出力電圧 (mV) です。 Eoc - 測定周波数における軸に沿った測定マイクの感度、mV/Pa。

測定の精度を高めるには、マイクロホンの直径ができるだけ小さいことが望ましい。これにより、方法が平面波での測定に近づくためである。周波数特性のばらつきが大きい動電型マイクを使用すると、定性的な測定結果が得られます。エレクトレットコンデンサーマイクはリボンマイクと同様に特性が若干優れています。測定マイクには計量機関が発行したパスポートが必要です。得られた周波数応答に基づく平均音圧は次の式で求められます。

ここで、pk は周波数 fk でスピーカーによって発生する音圧、または k 番目の 10/XNUMX オクターブフィルターの平均周波数です。 n は周波数または測定帯域の数です (少なくとも XNUMX は必要です)。

周波数応答むらが 12 dB 未満の場合、算術平均値は次の式で求められます。

測定用マイクとスピーカー（入力電力 1 W）の間の動作軸上 1 m の距離で得られるスピーカーの特性感度 Ex は、次の式で求められます。

Ex = Рavg/(l√P)、ここで、рср は、公称周波数範囲でスピーカーによって発生する平均音圧 Pa です。 l は頭の作業中心から測定マイクまでの距離、m です。 P - スピーカーに供給される電力、W。

効果的に再生される周波数範囲は、周波数軸に平行な直線とスピーカの周波数応答との交点に対応する周波数を決定することによって、スピーカの周波数応答から求められる。直線は、スピーカーの最大感度に対応する、オクターブ周波数帯域 pav.oct の平均音圧より 10 dB 低く描かれています。このレベルは次の式で決定されます。

ここで、ro = 2-10^-5 Pa - 1000 Hz の周波数での聴覚閾値。

正弦波信号の場合、参照ポイントの数は少なくとも 7 (1/6 オクターブごと)、3/XNUMX オクターブフィルターの場合は少なくとも XNUMX でなければなりません。

不均一な周波数応答は、公称および動作周波数範囲で決定されます。

指向特性は、無響室または屋外で、1 m の距離にある固定測定マイクに対してスピーカーを 5 ～ 10°の範囲で 0 ～ 360°回転させることによって得られます。指向特性の幅はグラフから0,707(-3dB)のレベルで求められます。指向性は、ノイズ信号の測定を行う場合、XNUMX つ以上の周波数、または XNUMX/XNUMX オクターブフィルターの中間周波数で決定されます。

上記からわかるように、AS または AO のパラメータを適切に評価するには、かなりの量の計測作業と計算を実行する必要があります。音響設計の有効性を評価するには、電気音響効率を測定する必要があることを考慮してください。

ケア=パ/ペ

ここで、Ra は音響パワーです。 Re が入力電力である場合、測定数は非常に多くなることがわかります。

音響パワーは次の式で決定できます。

Ra \u4d XNUMXπr²r²rsko、

ここで、p は距離 r、Pa における音圧です。 p - 空気密度; s は 340 m/s に等しい音の伝播速度です。 K は集中係数で、周波数に応じて 1 ～ 3 となります。

「ORTHO」タイプのスピーカーを設計する場合、上記の電気音響パラメーターは使用するダイナミックドライバーに大きく依存することに留意する必要があります。たとえば、ヘッドが低周波を再生しない場合、どのハウジング設計でもこの欠点を補うことはできません。この音響設計はスピーカーの周波数応答を「損なう」ことがなく、これが既知のスピーカー設計と比較した決定的な利点の XNUMX つであることがわかります。提案された音響設計では、円形、長方形、または楕円形のディフューザーを備えたヘッドを使用できます。フロントパネルにXNUMXつのヘッドを搭載することで、定格出力と放射耐性を高め、周波数特性のムラを低減します。

文学

Nosov V.N. スピーカーの音響ショートとそれを克服する。 - ラジオ、2003 年、No. 1、p. 14-16。
Iofe V.K.、Korolkov B.G.、Sapozhkov M.A. 音響学のハンドブック。 - M.: コミュニケーション、1979 年
音響。ディレクトリ。エド。 M. A. サポシコワ。 - M.: ラジオと通信、1989 年。
Burko V. G.、Lyamin P. M. 家庭用音響システム。参考マニュアル。 - ベラルーシ、ミンスク、1996年。
Nosov V. N. サウンドシステムの設計への新しいアプローチ。ロシア音響協会の X セッションの議事録集、第 2 巻。 - M.. 2000、p. 177-185。
オルソン G. とマッサ F. 応用音響学。 - M.: 州。ラジオ問題に関する出版社、1938 年、p. 171、図。 27.

著者: V. Nosov、モスクワ

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