Рупорные громкоговорители: принцип работы и применение.

Введение

Громкоговоритель с использованием акустического рупора

Рупорный громкоговоритель – это громкоговоритель или динамик, использующий акустический рупор для повышения общей эффективности излучателя(ей). Типичная конструкция (справа) состоит из компрессионного драйвера, который генерирует звуковые волны посредством небольшой металлической диафрагмы, приводимой в колебание электромагнитом, соединенного с рупором – расширяющимся каналом для передачи звуковых волн в открытый воздух. Другой тип – широкополосный излучатель, установленный в корпусе громкоговорителя, разделенном внутренними перегородками для формирования зигзагообразного расширяющегося канала, функционирующего как рупор; этот тип называется рупорным динамиком с фазоинверсией. Рупор служит для улучшения эффективности сопряжения между драйвером динамика и воздухом. Рупор можно рассматривать как "акустический трансформатор", обеспечивающий согласование импеданса между относительно плотным материалом диафрагмы и менее плотным воздухом. В результате достигается большая выходная акустическая мощность от заданного драйвера. Угловой охват (диаграмма направленности) рупора определяется формой и раскрывом его выходного отверстия. Основная проблема рупорных динамиков заключается в том, что диаграмма направленности изменяется в зависимости от частоты; высокочастотный звук, как правило, излучается узкими лучами с плохой характеристикой вне оси. Значительные улучшения были достигнуты, начиная с рупора "постоянной направленности", изобретенного в 1975 году Доном Килом. Главное преимущество рупорных громкоговорителей – их более высокий КПД; они обычно могут генерировать примерно в 10 раз (10 дБ) больше звуковой мощности, чем конусный динамик при той же выходной мощности усилителя. Поэтому рупоры широко используются в системах оповещения, мегафонах и звуковых системах для больших помещений, таких как театры, аудитории и спортивные стадионы. Их недостатком является более неравномерная частотная характеристика из-за резонансных пиков, а также наличие частоты среза, ниже которой их отклик снижается. (Частота среза соответствует длине волны, равной окружности выходного отверстия рупора.) Для обеспечения адекватного отклика на низких частотах рупорные динамики должны быть очень большими и громоздкими, поэтому они чаще используются для средне- и высокочастотного диапазона. Первыми практическими громкоговорителями, представленными примерно в начале 20-го века, были рупорные динамики. В последние десятилетия, благодаря разработке конусных динамиков, которые иногда имеют более ровную частотную характеристику, и доступности недорогой мощности усилителя, использование рупорных динамиков в аудиосистемах высокого класса снизилось.

A horn loudspeaker is a loudspeaker or loudspeaker element which uses an acoustic horn to increase the overall efficiency of the driving element(s). A common form (right) consists of a compression driver which produces sound waves with a small metal diaphragm vibrated by an electromagnet, attached to a horn, a flaring duct to conduct the sound waves to the open air. Another type is a woofer driver mounted in a loudspeaker enclosure which is divided by internal partitions to form a zigzag flaring duct which functions as a horn; this type is called a folded horn speaker. The horn serves to improve the coupling efficiency between the speaker driver and the air. The horn can be thought of as an "acoustic transformer" that provides impedance matching between the relatively dense diaphragm material and the less dense air. The result is greater acoustic output power from a given driver. The angular coverage (radiation pattern) of the horn is determined by the shape and flare of the mouth. A major problem of horn speakers is that the radiation pattern varies with frequency; high frequency sound tends to be emitted in narrow beams with poor off axis performance. Significant improvements have been made, beginning with the "constant directivity" horn invented in 1975 by Don Keele. The main advantage of horn loudspeakers is they are more efficient; they can typically produce approximately 10 times (10 dB) more sound power than a cone speaker from a given amplifier output. Therefore, horns are widely used in public address systems, megaphones, and sound systems for large venues like theaters, auditoriums, and sports stadiums. Their disadvantage is that their frequency response is more uneven because of resonance peaks, and horns have a cutoff frequency below which their response drops off. (The cutoff frequency corresponds to the wavelength equal to the circumference of the horn mouth.) To achieve adequate response at bass frequencies horn speakers must be very large and cumbersome, so they are more often used for midrange and high frequencies. The first practical loudspeakers, introduced around the turn of the 20th century, were horn speakers. Due to the development in recent decades of cone loudspeakers which sometimes have a flatter frequency response, and the availability of inexpensive amplifier power, the use of horn speakers in high fidelity audio systems over the last decades has declined.

Операция

Акустический рупор преобразует большие колебания давления при малом объеме смещения в колебания низкого давления при большом объеме смещения и наоборот. Это достигается за счет постепенного, часто экспоненциального увеличения площади поперечного сечения рупора. Небольшая площадь поперечного сечения горловины ограничивает прохождение воздуха, создавая высокий акустический импеданс для излучателя. Это позволяет излучателю развивать высокое давление при заданном смещении. Таким образом, звуковые волны в горловине характеризуются высоким давлением и малым объемом смещения. Расширяющаяся форма рупора позволяет звуковым волнам постепенно снижать давление и увеличивать объем смещения до достижения устья, где они имеют низкое давление, но большой объем смещения.

История технологий

Физика (и математика) работы рупора развивалась на протяжении многих лет, достигнув значительной степени усовершенствования к началу Второй мировой войны. Наиболее известными ранними рупорными громкоговорителями были те, что использовались в механических фонографах, где пластинка двигала тяжелой металлической иглой, которая вызывала колебания в небольшой металлической мембране, выполнявшей роль драйвера рупора. Знаменитым примером является рупор, через который собака RCA Ниппер услышала "Голос хозяина". Рупор улучшает согласование с акустическим сопротивлением и, таким образом, обеспечивает более эффективную передачу энергии от мембраны в воздух, а колебания давления уменьшаются по мере расширения объема и распространения звука по рупору. Этот тип механического согласования импедансов был абсолютно необходим в эпоху доэлектрического звуковоспроизведения для достижения приемлемого уровня громкости.

Мегафон

Мегафон, простой конус из бумаги или другого гибкого материала, является самым старым и простым акустическим рупором, использовавшимся до появления громкоговорителей в качестве пассивного акустического усилителя для механических фонографов и человеческого голоса; его до сих пор используют группы поддержки и спасатели. Поскольку коническое сечение описывает часть идеальной сферы, излучающей звук, конусы не вносят фазовых или амплитудных искажений в волновой фронт. Экспоненциальный рупор обладает свойством акустической нагрузки, которое позволяет динамику сохранять равномерный баланс выходного уровня во всем частотном диапазоне. Преимущества этой конструкции впервые были опубликованы К. Р. Ханной и Дж. Слепьяном в 1924 году для Американского института инженеров-электриков (AIEE). Основной недостаток заключается в том, что экспоненциальный рупор приводит к сужению диаграммы направленности с ростом частоты, вызывая высокочастотное "направленное излучение" по оси и приглушенный звук вне оси. Экспоненциальные рупоры по-прежнему используются некоторыми разработчиками и в определенных областях применения.

Многоклеточные

Ряд симметричных, узконаправленных, как правило экспоненциальных рупоров может быть объединен в массив, управляемый одним излучателем, для создания многосекционных рупоров. Запатентованные в 1936 году Эдвардом К. Венте из Western Electric, многосекционные рупора используются в акустических системах с 1933 года для решения проблемы направленности на высоких частотах, а также обеспечивают эффективную нагрузку на низких частотах. Их направленное управление начинает формировать диаграмму направленности как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях в середине целевого частотного диапазона, которая сужается еще больше на высоких частотах. Революционный коаксиальный излучатель Altec Lansing Duplex 601 и 604 использовал многосекционный рупор для своей высокочастотной секции с 1943 по 1998 год.

Радиальная, секторная и дифракционная

Радиальные рупоры имеют две поверхности, основанные на экспоненциальной скорости расширения, и две прямые стенки, определяющие диаграмму направленности. Радиальный рупор демонстрирует некоторую направленность, свойственную экспоненциальному рупору. Дифракционный, или "Смитский" рупор JBL был вариацией радиальной конструкции, использующей очень малую вертикальную размерность в зеве для предотвращения среднечастотной горизонтальной направленности радиальных рупоров с большей вертикальной размерностью в зеве. Дифракционный рупор был популярен в конструкциях мониторов и для применения в ближнем поле, где используется его широкая горизонтальная диаграмма рассеяния. Парадоксально, узкая вертикальная размерность обеспечивала широкую вертикальную диаграмму направленности, приближающуюся к 90° для частот с длиной волны, равной этой узкой вертикальной размерности.

Трактрикс

Трактриксный рупор во многом похож на экспоненциальный рупор и завоевал популярность среди энтузиастов самодельных рупоров, аудиофилов и некоторых производителей. Размер трактриксного рупора определяется указанием желаемой частоты низких частот "среза" или предела, который определяет диаметр устья. Два небольших улучшения по сравнению с экспоненциальным рупором включают в себя несколько лучшую поддержку для расширения низких частот и несколько более широкую диаграмму направленности высоких частот. Чтобы решить проблему изменения ширины диаграммы направленности на разных частотах, Д. Бродюс "Дон" Кил-младший из Electro Voice представил гибридный рупор с экспоненциальной скоростью расширения вблизи горла, за которой следует конический участок расширения и быстро расширяющийся фланец у устья. Фланец у устья решил некоторые оставшиеся проблемы с лоббированием на более высоких частотах. В нем установлены взаимосвязи между размером устья, частотой и углом покрытия, что послужило основой для многих будущих разработок в области конструкции рупоров. Рупор Mantaray разделяет желаемую диаграмму направленности в вертикальной плоскости от горизонтальной, что позволяет проектировать рупоры для различных диаграмм направленности. Форма Mantaray начинается с вертикально ориентированного дифракционного рупора в стиле JBL, переходящего в конический волновод (в ранних конструкциях) или квадратный или прямоугольный рупор с четырьмя плоскими сторонами. Для управления направленностью в среднем диапазоне частот внешнее устье расширяется с помощью короткого, расклешенного фланца в стиле Keele или с добавлением плоских сторон с большим углом раскрытия. Эффективность низких частот не так выражена, как в конструкции с постоянной направленностью. Фокус дисперсии, который не одинаков для каждой частоты, создает эллипсоидальную, а не сферическую волновую поверхность. Из-за этого Mantaray можно удовлетворительно разместить только в одной плоскости (а не в нескольких). Резкие изменения скорости раскрытия вызывают дифракцию, отражение и искажения. К 1980 году Кил работал в JBL, где он усовершенствовал свои и разработки Altec. Он объединил дифракционный рупор в стиле JBL со вторичным рупором, состоящим из экспоненциально изогнутых сторон, полученных с использованием двух радиальных формул. В результате получился гибридный рупор с постоянной направленностью, лишенный искажений, связанных с резкими изменениями угла. Конструкция Bi-Radial имела проблемы с кажущейся вершиной и устойчивостью, аналогичные проблемам Mantaray.

The tractrix horn is very similar in many respects to the exponential horn and has gained adherents among DIY horn enthusiasts, audiophile consumers, and some manufacturers. The size of the tractrix horn is generated by specifying the desired low frequency "cutoff" or limit which will determine the mouth diameter. Two incremental improvements over the exponential horn include slightly better support for low frequency extension and a somewhat broader high frequency coverage pattern. to address problems of beamwidth changing at different frequencies, D. Broadus "Don" Keele, Jr. of Electro Voice introduced a hybrid horn with an exponential expansion rate near the throat followed by a conical expansion section and ending with a rapidly flaring flange at the mouth. The flange at the mouth solved some remaining problems with lobing at higher frequencies. set forth the relationships between mouth size, frequency and coverage angle, providing a basis for many future developments of horn design. The Mantaray horn separates desired vertical coverage pattern from horizontal, making it possible to design horns for a variety of coverage patterns. The Mantaray shape starts with a vertically oriented JBL style diffraction horn, leading into a conical waveguide (earliest designs), or a square or rectangular horn with four planar sides. For midrange beaming control, the outer mouth is expanded further with a short, flared flange in the Keele style, or with added planar sides of a greater flare angle. Low frequency efficiency is not as pronounced as the constant directivity design. which is the focal point of pattern dispersion, is not the same for every frequency, making for an ellipsoidal wavefront rather than spherical. Because of this, the Mantaray can only be arrayed satisfactorily in one plane (rather than multiple planes). Its abrupt breaks in flare rate causes diffraction, reflection and distortion components.]] By 1980, Keele was at JBL where he took both his and Altec's designs a step further. He mated a JBL style diffraction horn to a secondary horn consisting of exponentially curved sides derived by using two radial formulas. This resulted in a hybrid constant directivity horn that was free from the distortion components associated with abrupt angle changes. The Bi Radial design had problems with apparent apex and arrayability in the same manner as the Mantaray.

Характеристики рога CD

Большинство популярных рупорных систем с постоянной направленностью (также известных как CD-рупоры) страдают от не сферических волновых фронтов, ограничений в формировании массивов и искажений при высоких уровнях звукового давления, а также от отражений и искажений, связанных с переходом от дифракционного щели к вторичному рупору. Для обеспечения нейтрального и сбалансированного звучания в них применяется фильтр с крутым спадом в области 2–4 кГц (в зависимости от конструкции рупора). Большинство производителей активных электронных аудио-кроссоверов отреагировали на это требование, добавив опциональный фильтр усиления CD EQ или высокочастотную полку. Например, такая схема была реализована с помощью внутренних перемычек в кроссовере FDS 310 от BSS и в кроссоверах AC 22S и AC 23B от Rane. Rane обеспечил более гибкое управление двумя полосами пропускания ("верхний средний" и "высокий") с помощью эквалайзера для CD-рупоров, включая регулируемый диапазон частот в кроссовере AC 24. Дальнейшее совершенствование процесса фильтрации доступно в кроссоверах на основе цифровой обработки сигналов (DSP).

Гибридная постоянная направленность (HCD)

Впервые опубликованный в декабре 2019 года в статье журнала Voice Coil, а затем представленный на 148-й конвенции AES в июне 2020 года, Дарио Чинанни представил новое семейство рупоров. Алгоритм HCD, уже используемый в SpeakerLAB Horn.ell, программном обеспечении 2006 года, преобразует любой рупор расширения (экспоненциальный, гиперболический синус, гиперболический косинус, катеноидальный, трактрисный, сферический или новый тип расширения) в рупор с постоянной направленностью. HCD позволяет сохранить ту же акустическую нагрузку, что и у исходного рупора расширения. Алгоритм HCD снижает отражения по сравнению с рупором CD или, в целом, с многосегментным рупором, обеспечивая низкие искажения при высоких уровнях звукового давления. Подобно радиальному рупору, HCD обеспечивает постоянную направленность в одной плоскости, а точнее – прогрессирующую постоянную направленность в плоскости, проходящей вдоль главной оси рупора. Степень прогрессии зависит от выбранного соотношения размеров зева. В то время как в плоскости, проходящей вдоль малой оси зева, мы получим эквивалентную диаграмму направленности рупора с круглым зевом (при использовании того же расширения).

Многостворчатый рог

В 1996 году Ральф Д. Хайнц из компании Renkus Heinz получил патент на многовходной рупор, включающий несколько излучателей для двух полос пропускания – высоких и средних частот, звуковые волны от которых выходили в один рупор, но на разных расстояниях в зависимости от полосы пропускания. Он продавался под названием "CoEntrant". Средне- и высокочастотные излучатели в продуктовой линейке Renkus Heinz ST/STX выходили через волновод "Complex Conic". В конце 1990-х годов Томас Дж. "Том" Дэнли из Sound Physics Labs начал работу над трехполосным многовходным рупором, представив SPL td1 на рынке в 2000 году. Конструкция использовала семь излучателей: один высокочастотный – в горле рупора, четыре среднечастотных – рядом с горлом и два низкочастотных – ближе к устью рупора. В 2001 году Том Дэнли начал разработку рупора "Unity" для Yorkville Sound, запатентовав усовершенствование в 2002 году. После выпуска линейки Unity от Yorkville в 2003 году, Дэнли основал Danley Sound Labs и разработал значительное улучшение по сравнению с SPL td1, названное "Synergy", обеспечивающее существенно лучшую фазовую и амплитудную характеристику, а также более плавную диаграмму направленности. Конструкция рупора "Synergy" обеспечивала большую выходную мощность от более компактного корпуса громкоговорителя. Благодаря сохранению контроля над диаграммой направленности в области кроссовера и в широком диапазоне общей полосы пропускания, а также близости акустического центра конструкции к задней стенке корпуса, его легче объединять в массивы для систем оповещения.

Рогаты для волноводов

Термин "волновод" используется для описания рупоров с низкой акустической нагрузкой, таких как конические, квадратичные, уплощенно-сфероидальные или эллиптически-цилиндрические рупоры. Они разрабатываются прежде всего для управления диаграммой направленности, а не для повышения эффективности за счет улучшения акустической нагрузки. Все рупоры в некоторой степени управляют диаграммой направленности, и все волноводы обеспечивают определенную акустическую нагрузку, поэтому различие между волноводом и рупором – это вопрос оценки.

Квадратно-Горлочный волновод

В 1999 году Чарли Хьюз из Peavey Electronics подал заявку на патент на гибридный рупор, который он назвал Quadratic Throat Waveguide (Квадратичный волновод горла). Рупор представлял собой, по сути, простую коническую секцию, но его горло было изогнуто по круговой дуге для соответствия необходимому размеру горла, обеспечивающему правильное соединение с динамиком. Вместо увеличения размера выходного отверстия рупора с помощью расклешения для контроля направленности звука в среднем диапазоне, было обнаружено, что тонкий слой пены, покрывающий край выходного отверстия, обеспечивает тот же эффект. Волновод QT, по сравнению с популярными рупорами CD, генерировал примерно на 3-4 дБ меньше второго гармонического искажения на всех частотах и в среднем на 9 дБ меньше более заметного третьего гармонического искажения. Поскольку волновод QT не имеет дифракционного щели, он свободен от проблем, связанных с кажущейся вершиной, что позволяет формировать массивы для нужд озвучивания.

Использование для публичных выступлений и концертов

Горновые громкоговорители применяются во многих аудиосистемах. Динамики в горновых громкоговорителях могут быть очень небольшими, даже для низких частот, где обычные громкоговорители должны быть значительно больше для достижения сопоставимой эффективности. Горновые громкоговорители могут быть спроектированы для воспроизведения широкого диапазона частот с использованием одного небольшого динамика; в определенной степени их можно спроектировать без необходимости использования кроссовера. Горновые громкоговорители также могут использоваться для обеспечения очень высоких уровней звукового давления, необходимых для систем звукоусиления и оповещения, хотя в таких приложениях с высоким звуковым давлением высокая точность воспроизведения иногда приносится в жертву необходимой эффективности, а также для обеспечения контролируемой диаграммы направленности, которая обычно требуется в больших помещениях. Метод "фокусировки Ганнесса", разработанный Дэйвом Ганнессом во время работы в Eastern Acoustic Works (EAW), представляет собой новый способ борьбы с некоторыми искажениями, возникающими в рупорах, особенно во временной области. Горновые громкоговорители EAW, обработанные этой запатентованной системой, демонстрируют снижение искажений, связанных с размазыванием во времени диафрагмы компрессионного драйвера/фазового кольца, сохраняя при этом высокую выходную мощность и контролируемую диаграмму направленности. На концертных площадках часто используются большие массивы горновых громкоговорителей для воспроизведения мощных низких частот ("басовые модули" или сабвуферы), чтобы обеспечить бас, который слушатели могут не только слышать, но и ощущать. Объединение нескольких горновых громкоговорителей в массив дает те же преимущества, что и использование одного рупора с большей площадью устья: нижняя частота среза снижается с увеличением размера устья рупора, а массив обладает большей выходной мощностью, чем отдельные динамики.

Коммерческие театры

Коммерческие кинотеатры часто используют рупорные громкоговорители для управления диаграммой направленности и повышения чувствительности, необходимой для озвучивания больших залов.

Аудиофилы и домашнее использование

В потребительской аудиотехнике используются рупорные громкоговорители для контролируемой диаграммы направленности (чтобы ограничить звуковые отражения от поверхностей помещения, таких как стены, пол и потолок) и для повышения чувствительности динамика. Рупорные громкоговорители могут обеспечивать очень высокую эффективность, что делает их хорошим выбором для маломощных усилителей, таких как однотактные триодные усилители или другие ламповые усилители. После Второй мировой войны некоторые ранние энтузиасты Hi-Fi доходили до того, что строили низкочастотные рупоры, раструбы которых занимали значительную часть стены прослушиваемого помещения. Рупорные входы иногда выносили на лужайку или в подвал. С появлением стерео в 1960-х годах такой подход стал редкостью. Многие покупатели акустических систем и любители самостоятельной сборки предпочитали более компактные конструкции по эстетическим соображениям. Некоторые аудиофилы используют рупорные громкоговорители для воспроизведения звука, в то время как другие избегают рупорных систем из-за их гармонических резонансов, считая их неприятной формой искажений. Поскольку существует множество конструкций рупоров (различной длины, материала и коничности), а также различные излучатели, дать однозначные характеристики рупорным громкоговорителям в целом довольно сложно. Аудиофилы, использующие маломощные усилители, часто в диапазоне от 5 до 25 ватт, могут найти высокую эффективность рупорных громкоговорителей особенно привлекательной. Однако высокая чувствительность также может сделать любой фоновый шум на выходе усилителя более заметным. Саундтреки к фильмам обладают большим динамическим диапазоном, где пиковые уровни на 20 дБ превышают средние. Высокая чувствительность рупорных громкоговорителей позволяет достичь уровня звука, характерного для кинотеатра, в точке прослушивания с использованием типичных ресиверов/усилителей мощностью около 100 Вт на канал, применяемых в домашних кинотеатрах.