Громкоговорители. Технические характеристики громкоговорителей, страница 17

Рассмотрим более подробно вопрос согласования с нагрузкой. Из электротехники известно, что максимальную мощность источник отдает в нагрузку в согласованном режиме, когда его внутреннее сопротивление равно сопротивлению нагрузки (R_i=R_н). При работе электродинамической головки на воздушную среду собственное сопротивление механической подвижной системы головки оказывается значительно больше сопротивления среды, то есть сопротивления излучения: x_пс >>x_R. На рис.6.38 показана схема электрического аналога источника акустической мощности с нагрузкой и график ее отдачи в зависимоcти от соотношения x_пс и x_R.

Рис.6.38. Схема электрического аналога источника акустической

мощности и график ее отдачи в нагрузку

При  отдаваемая в среду акустическая мощность мала, поэтому и мал КПД головки. Чтобы увеличить сопротивление излучения  следовало бы увеличить площадь излучающего поршня. Однако при этом увеличится и его масса, которую на высоких частотах не "раскачать". Таким образом, оптимальные условия для выполнение двух функций диффузора (преобразование механических колебаний в акустические и излучение колебаний в окружающую среду) в принципе невыполнимы.  Это противоречие можно разрешить путем разделения этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях. В них головка выполняет функцию преобразования механических колебаний в акустические, которые передаются на вход рупора. Рупор служит для согласо­вания сопротивлений механической системы головки и окружающей среды. Эк­вивалентом излучателя в этом случае служит слой воздуха в выходном отвер­с­тии, площадь которого можно сделать достаточно большой. При этом масса его оказывается невелика.

Рупором называют трубу с переменным сечением и жесткими стенками (рис.6.39).

                

Рис.6.39. Экспоненциальный рупор: S₀–площадь горла рупора:

 S_l–площадь выходного отверстия-устья; l–длина рупора

Применяют рупоры с различным законом изменения их поперечного сечения. Наибольшее распространение получили экспоненциальные рупоры, у которых поперечное сечение изменяется по экспоненциальному закону:

                                                  

Величина   имеет размерность длины и называется показателем расширения рупора. Он определяет относительное возрастание сечения рупора на единицу его длины.

Распространение волн в экспоненциальном рупоре характеризуется зависимостью фазовой скорости U синусоидальной волны от ее частоты:

                             , где

 – критическая частота рупора; с–скорость звука.

Волновой процесс в таком рупоре возможен лишь на частотах, лежащих выше критической, так как при w=w_кр фазовая скорость становится бесконечной, а при  w < w_кр–мнимой. Это означает невозможность волнового процесса, так как частицы среды в рупоре будут совершать синфазные колебания. Фактически столб воздуха, заключенный в рупоре, будет колебаться как единое целое. Инерциальное сопротивление его массы будет определять входное сопротивление. Рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее в механическую систему.  С ростом частоты (w>w_кр) фазовая скорость быстро убывает, приближаясь к скорости звука в неограниченной среде. При этом появляется возможность возникновения волнового процесса  за счет изменения фазы колебаний частиц среды с расстоянием, как в плоской волне.

Входное сопротивление рупора, на которое нагружен излучатель, размещенный в начальном сечении S₀:

Рассмотрим частотные характеристики компонент входного сопротивления рупора бесконечной длины. Такой рупор  с бесконечно большой площадью выходного отверстия обеспечил бы идеальное согласование с окружающей средой, что исключило бы появление отраженной волны от его устья. Из рис.6.42 видно, что активная часть входного сопротивления превышает реактивную, начиная с частоты  и рупор оказывается в состоянии эффективно нагрузить головку. При заданных площадях входного S₀ и выходного S_l отверстий рупора его длина  равна