Доклад/Технические науки

Л.В. Головкина, Д.А.Колесников, А.Ю. Шмонин

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КОНТРАПЕРТУРНОЙ АКУСТИчЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Актуальность определения оптимальной конструкции такой акустической системы обусловлена ее высоким КПД по сравнению со стандартными корпусными акустическими системами различных типов и однородностью звукового поля при удалении от источника звука.

Принцип сталкивания двух противонаправленных потоков движения воздуха известен давно, но эффективное его использование в готовых конструкциях было предложено совсем недавно. В середине 90-х это изобретение было запатентовано в России и странах Европы, а также в США, Канаде, Японии, Корее и Австралии. Несмотря на очень большой интерес к контрапертурному принципу построения акустических систем, многие вопросы не раскрыты, и это касается основного – как оптимизировать конструкцию такой системы.

Две широкополосных головки, располагаемые в горизонтальной плоскости, определяют деформацию воздуха, работают синфазно, обеспечивая круговую диаграмму направленности. Звуковое давление, равномерно распространяющееся во все стороны горизонтальной плоскости приводит к эффекту ненаправленности, т.е «одинаковости» прослушивания в различных частях помещения. При горизонтальном и встречном размещении головок компенсируется эффект Доплера, минимизируются интермодуляционные искажения.

Используя основные характеристики, такие как диаграмма направленности, звуковое давление, размеры используемых головок, определим оптимальное расстояние, на котором должны устанавливаться основные (не высокочастотные) головки в конструкции контрапертурной системы.

Каждая динамическая головка обеспечивает отдачу звукового давления, на расстоянии r от нее звуковое давление может быть определено как:

, (1)

где L_H ‑ звуковое давление на расстоянии 1 м от динамической головки. Уменьшение звукового давления с удалением от динамической головки связано с распределением мощности на большую площадь – 4πr_в² (где r_в радиус фронта волны). Суммарная мощность, перетекающая через всю площадь волнового фронта, не изменяется, поэтому мощность, приходящаяся на единицу площади, уменьшается пропорционально квадрату радиуса фронта волны. Следовательно, чем меньше расстояние между двумя динамическими головками, тем больше суммарное звуковое давление.

Следующий определяющий фактор – направленность акустической системы. Контрапертурной акустике характерна круговая горизонтальная направленность, но определяющим фактором, влияющим на однородность звукового поля на различной высоте в помещении, является вертикальная направленность. Характеристика направленности динамической головки в полярных координатах отображает изменение звукового давления, которое сфокусировано в области 60^о (угол α). Следовательно, в этой области α должна находиться вторая головка (см. рисунок 1), расположенная на одной оси с первой, и чем дальше друг от друга они будут находиться, тем больше будет угол рассеивания:

(2)

где H = 2r ‑ расстояние между двумя головками;

R ‑ расстояние от центра до края корпуса системы.

Рисунок 1 – Углы рассеивания в контрапертурной акустике

Исходя из формул (1) и (2) оптимальное расстояние H между двумя динамическими головками, при котором выдержан угол направленности α и звуковое давление головок определяется как точка пересечения графиков L_зв(r) и (r) (см. рисунок 2). Полученное оптимальное значение H было проверено и подтверждено экспериментально.

Рисунок 2 - Оптимальное расстояние до центра системы

Исходя из этих требований следует, что при изготовлении контрапертурной акустики c максимальным углом при оптимальном давлении нужно выбирать головки, которые развивают большое звуковое давление при минимальном диаметре диффузора. При проектировании корпуса размеры «панели», на которую крепится головка, должны быть как можно меньше.