Дипольные акустические системы: принцип работы и применение

Введение

Звуковоспроизводящее устройство – системы громкоговорителей, спроектированные таким образом, чтобы один приблизительный точечный источник излучал звук одинаково в двух противоположных направлениях, с разностью фаз в 180 градусов.

Корпус дипольного громкоговорителя в простейшей форме изготавливается путем установки динамического излучателя на плоскую панель. Панель может быть сложена для экономии места. Термин «диполь» происходит от того факта, что диаграмма направленности состоит из двух лепестков с равным излучением вперед и назад, и отсутствием излучения перпендикулярно оси. (В сравнении, монопольная диаграмма направленности состоит из одного лепестка.) Это может быть полезно для снижения возбуждения резонансных мод помещения на низких частотах. Также это приводит к отражению высоких частот от задней стены, что может повысить естественность звука в типичных помещениях для прослушивания, создавая более рассеянный реверберационный эффект, хотя теоретически это может ухудшить стереопозиционирование. По этой причине дипольные громкоговорители часто используются в качестве тыловых каналов в системах объемного звучания, где требуется рассеянный звук для создания атмосферы. Дипольный громкоговоритель работает, создавая движение воздуха (в виде звуковых волн давления) непосредственно с передней и задней поверхностей излучателя, а не путем согласования импеданса одного или обоих выходов с сопротивлением воздуха. В результате, движение диффузора ниже резонансной частоты излучателя ограничивается главным образом силой восстановления излучателя (например, подвесом диффузора), а не акустической нагрузкой от корпуса. Это означает, что перемещение диффузора на самых низких частотах будет больше при том же уровне выходной мощности, чем в обычном корпусе, и, соответственно, ограничена допустимая мощность. Особенно на низких частотах дипольные излучатели, как правило, большие и плоские, и обязательно открыты с обеих сторон. Распространенными примерами являются электростатические или ленточные излучатели, хотя обычный конусный излучатель, установленный в открытом ящике, также может работать как дипольный громкоговоритель. Все эти варианты характеризуются диаграммой направленности в форме «восьмерки», при которой громкость уменьшается по бокам корпуса, где происходит максимальная интерференция между передними и задними волнами. Иногда корпус модифицируется в «H-образную раму», где излучатель расположен на перегородке, разделяющей два открытых отсека. Такие корпуса требуют некоторого контроля над излучаемым звуком с задней части корпуса для достижения желаемой характеристики. Обычно это достигается установкой двух излучателей, один над другим, в конфигурации push-pull (движение-тяга). Некоторые корпуса, называемые дипольными, располагают два излучателя под углом около 90 градусов, а не 180 градусов, особенно для тыловых колонок, предназначенных для настенного монтажа (например, Jamo C 80 SUR, Castle dipoles и Theophany S4).

A dipole speaker enclosure in its simplest form is constructed by mounting a loudspeaker driver on a flat panel. The panel may be folded to conserve space. The term dipole derives from the fact that the polar response consists of two lobes, with equal radiation forwards and backwards, and none perpendicular to the axis. (By comparison a monopole response consists of one lobe.) This can be useful in reducing the stimulation of resonant room modes at low frequencies. It also results in high frequencies being reflected from any rear wall, which can enhance the naturalness of the sound in typical listening rooms by creating more diffuse reverberation, though in theory it could detract from stereo localization. For this reason dipole speakers are often used as surround channel speakers, where a diffuse sound is desired to create ambience. A dipole speaker works by creating air movement (as sound pressure waves) directly from the front and back surfaces of the driver, rather than by impedance matching one or both outputs to the air. As a result, diaphragm motion below the driver's resonance frequency is constrained primarily by the driver's restoring force (e. g., diaphragm suspension) and not by acoustic loading from an enclosure. This implies that cone motion at the lowest frequencies will be larger at the same output level than in a more usual enclosure, and that power handling will be accordingly limited. Especially at lower frequencies, dipole drivers tend to be large and flat, and necessarily open at both front and back. Common examples include electrostatic or ribbon drivers, though a conventional cone driver mounted in an open baffle also works as a dipole loudspeaker. All of these variations are characterised by a "figure of eight" radiation pattern in which the loudness falls towards the sides of the enclosure where interference between front and back waves is maximized. Sometimes the enclosure is modified into an "H frame" with the driver located on a wall dividing two open compartments. Such enclosures require some control over the radiated sound from the rear of the enclosure to achieve the desired response. This is usually done by mounting two drivers, one over the other, in a push pull configuration. Some of the speaker cabinets referred to as dipolar arrange the two poles at an angle of about 90 degrees rather than 180 degrees, especially for wall mounted rear speakers (e. g. Jamo C 80 SUR, Castle dipoles, and Theophany S4).

Преимущества

Преимуществом диполей является то, что звук концентрируется в зоне прослушивания благодаря диаграмме направленности в форме восьмерки. Это означает, что при заданной громкости источники звука, попадающие в "мертвую зону" динамика, воспринимаются как менее громкие, чем при использовании более традиционных акустических систем. Считается, что дипольные динамики лучше подходят для тыловых каналов в системах объемного звучания, хотя это утверждение является спорным (или, по крайней мере, успех зависит от таких факторов, как акустика помещения, жанр музыки и т.д.). Стандарт THX предписывает использование диполей для тыловых динамиков в домашних кинотеатрах, однако данное требование часто игнорируется на практике.

Недостатки

Однако эти корпуса менее эффективны, поскольку для одного и того же динамика диполь обеспечивает меньший уровень звукового давления, чем закрытый или фазоинверсный корпус, и значительно меньше, чем правильно спроектированный рупор. Это означает, что динамики, установленные в дипольном корпусе, должны иметь большой максимальный ход диффузора, большую площадь диффузора или и то, и другое. Одним из решений этих проблем является переход на закрытый или фазоинверсный корпус для обработки низких частот. Другое решение – создание диполя на основе биполя с использованием обработки сигнала для управления диаграммой направленности. Это позволяет переключаться между различными диаграммами направленности или изменять диаграмму направленности и эффективность в зависимости от частоты и уровня выходного сигнала.