Акустическая система (АС) — это громкоговоритель, являющийся функциональным звеном бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Согласно определению Международного электротехнического словаря МЭК 50 (801), термин «громкоговоритель» охватывает как одиночные головки, так и многополосные системы с акустическим оформлением. Однако в технической литературе и стандартах принято различать «головку громкоговорителя» (ГГ) — одиночный излучатель, и «акустическую систему» (или звуковую колонку) — многополосное устройство, включающее фильтры, трансформаторы и, что самое важное, акустическое оформление. Именно тип оформления корпуса определяет, как тыловое излучение диффузора будет взаимодействовать с фронтальным, формируя итоговое звучание. Подробнее о конструкции самого громкоговорителя можно узнать в соответствующем разделе.

Виды акустических систем и типы оформления корпуса

Классификация по низкочастотному оформлению

Низкочастотное оформление — это конструктивная особенность корпуса, предназначенная для управления работой НЧ-динамиков. Выбор типа оформления является критическим при проектировании АС, так как он напрямую влияет на АЧХ, КНИ и характер звучания. Основные типы корпусов включают:

— излучение с обеих сторон диффузора без взаимодействия волн.
— монтаж динамика в стенку без герметизации.
— герметичный корпус, использующий упругость воздуха внутри.

— использование резонанса воздуха в отверстии для усиления НЧ.
— аналог фазоинвертора, но с использованием второго динамика без магнита.
— трассировка тылового излучения для демпфирования и усиления низких частот.
— акустическое трансформирование импеданса для высокой эффективности.
— комбинированная конструкция, ограничивающая полосу пропускания.
— использование электромеханической обратной связи.

Акустические системы могут быть встроенными (интегрированными в корпус телевизора, приемника и т.д.) и выносными (конструктивно независимыми). Выносные АС являются конечным звеном звуковоспроизводящего тракта и в значительной степени определяют его качество. Развитие технологий привело к росту разнообразия моделей как встроенных, так и выносных систем.

Ниже рассмотрены основные элементы конструкции многополосной выносной АС (см. рис. 1). Система состоит из:

Излучателей 1, 2, 3 (НЧ, СЧ, ВЧ головок), количество которых зависит от типа АС;
Корпуса 4;
Электронных устройств 5, 6 (фильтры, цепи защиты);
Регуляторов уровня 7;
Входных клемм 8.

Большинство АС используют электродинамические головки. В специализированных системах применяются электростатические, изодинамические и другие нетрадиционные излучатели. Выносные АС строятся по многополосному принципу: диапазон делится на поддиапазоны, каждый из которых воспроизводится своим ГГ (НЧ, СЧ, ВЧ). В премиум-сегменте часто используются 3-4 полосы, тогда как массовые АС могут быть одно- или двухполосными, так как один широкополосный динамик не обеспечивает нужной линейности АЧХ и низкого уровня искажений.

Требования к НЧ-головкам: высокая мощностная и температурная устойчивость (температура катушки до 150-200 °С при мощности 100-150 Вт), линейность упругих характеристик при больших ходах, низкая резонансная частота. Обычно используются конусные динамики прямого излучения. Примером исключения является АС , использующая электростатический НЧ-излучатель.

Требования к СЧ-головкам: минимальные нелинейные искажения, близкие к порогам субъективного восприятия. Применяются конусные, купольные, электростатические и изодинамические излучатели.

Требования к ВЧ-головкам: воспроизведение до 20-30 кГц, динамический диапазон 100-110 дБ. Популярны купольные электродинамические головки, а также пьезокерамические и излучатели Хейла.

Корпус АС — ключевой элемент, формирующий характеристики в области НЧ за счет регулирования нагрузки на тыловую поверхность диффузора. Он влияет на АЧХ, ФЧХ, ХН и КНИ. Форма корпуса также определяет дифракционные эффекты на СЧ и ВЧ диапазонах.

Наиболее распространенные типы корпусов: Закрытый ящик (ЗЯ), Фазоинвертор (ФИ) и Пассивный излучатель. Реже используются рупоры, лабиринты и трансмиссионные линии.

Закрытый ящик (ЗЯ)

Корпус ЗЯ герметичен и служит для подавления излучения тыловой поверхности диффузора. Воздух внутри ящика работает как пружина, повышая резонансную частоту динамика. Это обеспечивает наиболее линейную АЧХ и быструю атаку баса, но требует мощных головок для достижения глубокого НЧ.

Фазоинвертор (ФИ)

ФИ отличается наличием отверстия (или трубки), которое настроено на резонанс. Тыловое излучение динамифа выходит через фазоинвертор в фазе с фронтальным излучением, что увеличивает уровень звукового давления в области низких частот. Это позволяет получить более глубокий бас при меньших размерах корпуса по сравнению с ЗЯ.

Пассивный излучатель

В этой конструкции вместо отверстия используется пассивный излучатель — динамик без магнита и катушки. Он работает как масса-пружина, резонируя на частоте настройки корпуса. Это позволяет достичь эффекта, схожего с фазоинвертором, но без турбулентности потока воздуха в трубе, что часто улучшает чистоту звучания.

Конструктивные параметры корпуса (размеры, форма, ребра жесткости) рассчитываются исходя из требований к электроакустическим характеристикам. Расчет НЧ-характеристик базируется на электромеханических аналогиях и эквивалентных схемах. Для оптимизации используются параметры динамиков: полная добротность Q_ts, эквивалентный объем V_as, резонансная частота f₀.

E_g – напряжение источника сигнала;

R_g – выходное сопротивление источника сигнала;

R_E – активное сопротивление звуковой катушки;

B – плотность магнитного потока в зазоре магнитной системы;

S_эф – эффективная площадь диффузора;

C_AS – акустическая гибкость подвеса;

M’_AS –акустическая масса подвижной системы;

R_AS – акустическое сопротивление потерь в подвижной системе;

R_AR₁ – активная составляющая сопротивления излучения фронтальной поверхности диффузора;

M_A₁ – реактивная составляющая сопротивления излучения (масса воздуха, соколеблющаяся с фронтальной поверхностью диффузора громкоговорителя);

M_B₁ – масса воздуха, соколеблющаяся в тыловой поверхности диффузора;

C_AB – акустическая гибкость воздуха в корпусе АС;

R_AB – акустическое сопротивление потерь в корпусе АС, обусловленных внутренним поглощением энергии;

R_AL – акустическое сопротивление потерь, обусловленных утечками воздуха из щелей корпуса АС;

R_AR₂ – активная составляющая сопротивления излучения отверстия фазоинвертора или диафрагмы пассивного излучателя;

M_A₂ – реактивная составляющая сопротивления излучения отверстия фазоинвертора или диафрагмы пассивного излучателя;

M_B₂ – масса воздуха, соколеблющаяся с тыловой поверхностью диафрагмы пассивного излучателя (если таковой присутствует);

M’_AP – акустическая масса пассивного излучателя или воздуха в трубе фазоинвертора;

C_AP – акустическая гибкость подвеса пассивного излучателя;

R_AP – акустическое сопротивление потерь в подвесе пассивного излучателя или в трубе фазоинвертора;

l – длинна части звуковой катушки, находящаяся в зазоре магнитной системы.

В области СЧ и ВЧ на характеристики влияет внешняя конфигурация корпуса: форма, округление углов, демпфирование стенок. Переход от гладких форм (сфера, эллипсоид) к прямоугольным с острыми углами увеличивает неравномерность АЧХ из-за дифракции. Для снижения этих эффектов применяются обтекаемые формы и демпфирующие накладки. Также важны колебания стенок корпуса, которые вносят негармонические искажения. Для борьбы с этим используются виброизоляция, звукопоглощающие материалы (минвата, АТМ-1, АТИМС) и увеличение массы/жесткости стенок (МДФ, ДСП толщиной 13-20 мм).

Электронные устройства АС включают разделительные фильтры. В большинстве АС используются пассивные фильтры (всепропускающего типа, полиномы Баттерворта), обеспечивающие плоскую АЧХ и симметрию направленности. Активные фильтры (как в АС ) требуют отдельного усилителя на каждую полосу, что экономически менее выгодно, но дает лучшие параметры регулировки. Также применяются корректоры АЧХ и схемы защиты головок от перегрузок (пороговые схемы, реле, индикация на светодиодах, как в АС ).

Для расширения знаний о конструктивных особенностях АС, рекомендуем изучить статью об изобарических акустических системах, где рассматривается уникальное соединение динамиков для изменения эффективного объема. Если у вас остались вопросы по выбору типа оформления, ответы на самые популярные запросы вы найдете в разделе наиболее часто задаваемые вопросы.