Рупорная антенна представляет собой конструкцию, состоящую из радиоволновода и металлического рупора. Они имеют широкую сферу применения, используются в устройствах измерительной техники и как самостоятельный прибор.
Что это
Рупорная антенна - это устройство, которое состоит из волновода с открытым концом и излучателем. По форме такие антенны бывают Н-секторальными, Е-секторальными, коническими и пирамидальными. Антенны - широкополостные, для них характерен небольшой уровень лепестков. Рупорная конструкция с усилиением простая. Усилитель позволяет ей быть небольшого размера. Например, или линз выравнивает фазу волны и положительно влияет на габариты устройства.
Антенна выглядит как раструб с прикрепленным к нему волноводом. Основным недостатком рупора считают его внушительные параметры. Для того чтобы привести такую антенну в рабочее состояние, она должна располагаться под определенным углом. Именно поэтому в длину рупор больше, чем в сечении. Если попытаться построить такую антенну с диаметром один метр, она бы в длину получилась в несколько раз больше. Чаще всего такие приборы используют в качестве зеркального облучателя или для обслуживания радиорелейных линий.
Особенности
Диаграмма направленности рупорной антенны - это угловое распределение плотности потока мощности или энергии в единицу угла. Определение означает, что прибор широкополосный, имеет питающую линию и небольшой уровень задних лепестков диаграммы. Для того чтобы получить остронаправленное излучение, необходимо сделать рупор длинным. Это не очень практично и считается недостатком данного устройства.
К одним из самых модернизированных типов антенн относят рупорно-параболические. Их основная особенность и преимущество - низкие боковые лепестки, которые сочетаются с узкой диаграммой направленности. С другой стороны, рупорно-параболические устройства габаритные и тяжелые. Одним из примеров такого типа служит антенна, установленная на космической станции "Мир".
По своим свойствам и техническими характеристикам рупорные приборы ничем не отличаются от установленных приемников в мобильных телефонах. Разница лишь в том, что у последних антенны компактные и скрыты внутри. Однако миниатюрные рупорные антенны могут повреждаться внутри мобильного устройства, поэтому корпус телефонов рекомендуется защищать при помощи чехла.
Типы
Существует несколько типов рупорных антенн:
- пирамидальная (сделана в форме пирамиды четырехгранника с прямоугольным сечением, используется чаще всего);
- секторальная (имеет рупор с расширением H или E);
- коническая (выполнена в виде конуса с круглым сечением, излучает волны круговой поляризации);
- гофрированная (рупор с широкой полосой пропускания, небольшим уровнем боковых лепестков, используется для радиотелескопов, параболических и спутниковых антенн);
- рупорно-параболическая (совмещает в себе рупор и параболу, имеет узкую диаграмму направленности, низкий уровень боковых лепестков, функционирует на радиорелейных и космических станциях).
Исследование рупорных антенн позволяет изучить их принцип действия, рассчитать диаграммы направленности и коэффициент усиления антенны на определенной частоте.
Как работает
Рупорные измерительные антенны вращаются вокруг собственной оси, расположенной перпендикулярно плоскости. К выходу прибора подсоединяется специальный детектор с усилением. Если сигналы слабые, в детекторе формируется квадратичная вольтамперная характеристика. Создает электромагнитные волны стационарная антенна, основная задача которой - передача волн рупорной. Для того чтобы снять характеристику направленности, ее разворачивают. Затем снимаются показания с прибора. Антенну поворачают вокруг своей оси и фиксируют все измененные данные. Применяют ее для приема радиоволн и излучения сверхвысоких частот. Устройство обладает огромными плюсами перед проволочными агрегатами, так как способно принять большой объем сигнала.
Где используется
Рупорная антенна используется как отдельный прибор и в качестве антенны для измерительных устройств, спутников и другой техники. Степень излучения зависит от раскрыва рупора антенны. Он определяется размерами его поверхностей. Используется этот прибор как облучатель. Если конструкцию устройства совмещают с отражателем, его называют рупорно-парабалическим. Агрегаты с усилением часто используют для проведения измерений. Применяют антенну как зеркальный или лучевой облучатель.
Внутренняя поверхность рупора может быть гладкой, гофрированной, а образующая - иметь плавную или кривую линию. Разные модификации этих излучающих приборов используют для улучшения их характеристик и функциональности, например для того, чтобы получить осесимметричную диаграмму. Если необходимо скорректировать направленные свойства антенны, в раскрыве устанавливают ускоряющие или замедляющие линзы.
Настройки
Рупорно-параболическая антенна настраивается в волноводной части с помощью диаграмм или штырей. Если понадобится, то такое устройство можно сделать самостоятельно. Антенна принадлежит к апертурному классу. Это означает, что прибор, в отличие от проволочной модели, принимает сигнал апертурой. Чем больше рупор у антенны, тем больше волн она примет. Усиления легко достичь, если увеличить размеры агрегата. К его преимуществам относят широкополосность, простоту конструкции, отличную повторяемость. К недостаткам - при создании одной антенны требуется большое количество расходных материалов.
Для изготовления своими руками пирамидальной антенны рекомендуется использовать недорогие материалы, например оцинковку, прочный картон, фанеру в сочетании с фольгой металлической. Рассчитать параметры будущего устройства допустимо при помощи специального онлайн-калькулятора. Энергия, принятая рупором, попадает в волновод. Если изменять положение штыря, антенна будет функционировать в широком диапазоне. При создании устройства учитывайте, что внутренние стенки рупора и волновода должны быть гладкими, а раструб - жестким по внешней стороне.
Рупорный громкоговоритель – это громкоговоритель, в котором для концентрации звуковой энергии в определенном направлении служит рупор (труба с непрерывно возрастающим сечением)
Этот тип громкоговорителя получил значительное распространение в мощных системах звукоусиления и оповещения на больших открытых пространствах (площадях, улицах).
Благодаря применению рупора улучшается согласование между относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы головки и довольно низким сопротивлением нагрузки воздушной среды, характеризуемым сопротивлением излучения. Рупор увеличивает сопротивление излучения и значительно повышает КПД громкоговорителя. Существует несколько форм рупора, однако наибольшее распространение получил экспоненциальный рупор, в котором площадь поперечного сечения возрастает по экспоненциальному закону
где So - площадь поперечного сечения начала рупора (горла); - коэффициент расширения; x - координата, отсчитываемая вдоль оси рупора от его начала (горла) к устью (рис.6.13)
Рупор, подобно электрическому фильтру верхних частот, характеризуется низшей пропускаемой частотой, называемой критической, которая зависит от коэффициента расширения рупора. Для эффективного воспроизведения низших звуковых частот рупор должен быть значительных размеров, что и является его главным недостатком. Поэтому в настоящее время рупорные громкоговорители находят широкое применение главным образом в качестве высокочастотных звеньев и двух- и трехполосных акустических систем, так как для воспроизведения высших частот размеры рупора и всего громкоговорителя должны быть небольшими.
В отличие от остальных громкоговорителей, рупорный громкоговоритель характеризуется высокой направленностью излучения звуковых волн и значительной дальностью действия (50 – 100 м), поэтому такие громкоговорители используют преимущественно для озвучивания больших открытых площадей и вытянутых помещений (стадионов, коридоров, галерей). Кроме того, рупорные громкоговорители могут работать при температуре – 20° – +60° С и не боятся повышенной влажности воздуха.
При озвучивании больших помещений рупорные громкоговорители устанавливаются рядом друг с другом и направляются в разные стороны. Благодаря такому расположению громкоговорителей можно распространять звуковые волны на площади, в несколько раз превышающие площадь, которую могут покрыть электродинамические громкоговорители при том же качестве звучания. При проектировании системы оповещения стоит учитывать, что рупорный громкоговоритель имеет диаграмму направленности с углом раскрытия порядка 30°.
Рабочий диапазон частот, в котором работает рупорный громкоговоритель, определяется его назначением и зависит от конструктивных особенностей. Рупорный громкоговоритель может работать как на небольшом участке спектра звуковых частот, так и занимать довольно широкую полосу (от 100 Гц до 6 кГц). Выходная мощность, которую обеспечивает рупорный громкоговоритель, обычно составляет от 5 до 100 Вт.
Поскольку на высших частотах увеличивается направленность излучения, то для расширения характеристики направленности в высокочастотных рупорных громкоговорителях с успехом применяются два средства. Первое средство состоит в секционировании рупора, в результате чего он превращается в пучок примыкающих друг к другу рупоров меньшего сечения, оси которых криволинейны и располагаются веером (рис. 27, а).
Рис. 4 Секционный рупор (а) и акустическая линза (б)
Принцип действия такого устройства заключается в том, что хотя направленность излучения каждой секции рупора вдоль оси возрастает на высших частотах, благодаря тому, что оси отдельных рупорных секций развернуты веером, их излучение направлено в пределах более широкого угла, образуемого веером осей. Поэтому угол раствора характеристики направленности громкоговорителя практически не зависит от частоты, так как он определяется пространственным расположением отдельных секций рупора. Это эквивалентно излучению группы отдельных громкоговорителей, расположенных рядом на сферической поверхности так, что их оси, сходящиеся в центре сферы, образуют одинаковые острые углы одна с другой.
Другим эффективным средством ослабления направленности рупора громкоговорителя является акустическая линза (рис. 27,6), более простая в изготовлении, чем секционированный многоячеечный рупор. Принцип действия акустической линзы подобен действию оптических рассеивающих линз, преобразующих распространяющуюся вдоль оси плоскую волну в сферическую или цилиндрическую.
Различие между оптическими и акустическими линзами состоит в том, что оптическая линза преобразует плоскую волну, изменяя ее скорость при прохождении сквозь линзу и тем более, чем длиннее ее путь в линзе. Изменение скорости волны в линзе обусловлено ее материалом (стеклом), в котором скорость распространения света меньше, чем в воздухе. В акустической линзе скорость звука везде одинакова и преобразование волны происходит вследствие различия длины путей волн, проходящих через линзу в центре и на периферии. Изменение длины путей волн в акустической линзе осуществляется наклонными каналами или щелями, удлиняющими путь звуковой волны, создаваемой громкоговорителем.
В зависимости от осевой симметрии линзы и ее положения в пространстве можно расширить характеристику направленности рупорного громкоговорителя как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях или только в одной из них.
Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причиной этого является несогласованность сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для увеличения сопротивления излучения следовало бы увеличивать размеры излучателя, но это влечет за собой увеличение механического сопротивления массы излучателя и не дает выигрыша в КПД. Так как диффузор выполняет две функции: функцию преобразования механических колебаний в акустические и функцию излучения этих колебаний в окружающую среду, то разрешить такое противоречие можно только путем разделения этих функций. Это разделение функций осуществляется в рупорных громкоговорителях.
Из рассмотрения частотной зависимости входного сопротивления экспоненциального рупора бесконечной длины (см. рис. 6.13, кривые 1, 2 ) следует, что активная составляющая сопротивления рупора для частот,
Рис. 6.13. Экспонциальный рупор: эскиз рупора и зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления рупора от частоты (1 - активная составляющая для экспоненциального рупора бесконечной длины; 2 - реактивная составляющая для него же; 3 - активная составляющая для него же в случае конечной длины; 4 - активная составляющая входного сопротивления для конического рупора)
ниже критической, равна нулю, присутствует только реактивная составляющая. Это свидетельствует о том, что рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее после окончания вынужденных колебаний в виде своих свободных колебаний в механическую систему. Реактивная составляющая имеет инерционный характер, т. е. представляет собой соколеблющуюся массу, вносимую в механическую систему. Эта составляющая на средних и высоких частотах ничтожно мала, а на низких- выше критической частоты в большинстве случаев ею можно пренебречь без внесения заметной ошибки, поэтому в дальнейшем не будем ее учитывать.
Выше критической частоты активная составляющая быстро нарастает до сопротивления, равного сопротивлению плоской волны, и далее остается постоянной. Закон ее изменения напоминает частотную характеристику фильтра ВЧ. Для сравнения на рис. 6.13 (кривая 4 ) приведена частотная зависимость входного сопротивления конического рупора, имеющая значительно менее крутой подъем к высоким частотам. В этом и заключается недостаток конического рупора по сравнению с экспоненциальным.
Критическая частота экспоненциального рупора тем выше, чем круче он расходится, поэтому для смещения нижней границы частотного диапазона вниз приходится применять рупоры с пологим расхождением.
В рупорах конечной длины из-за несогласованности сопротивлений рупора с окружающей средой возникают отражения звуковых волн от его устья. В рупоре возникают стоячие волны. А из-за этого частотная характеристика входного сопротивления рупора становится волнообразной (см. рис. 6.13, кривая 3 ), правда, только на низких частотах, на которых фронт излучаемой волны близок к сферическому. Для средних и высоких частот длины излучаемых волн оказываются больше размеров излучающего отверстия рупора, и потому фронт волны в конце рупора становится плоским и остается таким после выхода из него. Вследствие этого не происходит отражения волн от конца рупора. Так как размеры выходного отверстия для широкополосных громкоговорителей берут в пределах 0,6-1 м, то такое явление наблюдается, уже начиная с частоты 300- 500 Гц (d =λ ).
Выходное отверстие рупора определяет и направленность его излучения. На рис. 6.3 были приведены характеристики направленности для поршневой диафрагмы в бесконечном экране при разных соотношениях d/λ . Оказывается, что эти соотношения почти полностью пригодны и для рупорного излучателя, если длины излучаемых волн меньше размеров выходного отверстия. В этом случае в отверстии рупора образуется волна по фронту, близкая к плоской. Следовательно, при размерах устья рупора в 0,6-1 м для частот выше 300- 500 Гц можно пользоваться этими соотношениями. На низких частотах излучение из отверстия рупора будет менее направленным, чем у поршневой диафрагмы, так как из-за отсутствия экрана будет иметь место расхождение волн в угле 4π вместо 2π.
Длина рупора определяется из (6.20) отношением площадей входного и выходного отверстий рупора:
Если надо иметь острую направленность и низкую нижнюю границу передаваемого частотного диапазона, следует увеличивать выходное отверстие рупора и уменьшать критическую частоту, вследствие чего приходится брать рупор большой длины. Для этого рупор часто свертывают или складывают (рис. 6.14).
Коэффициент концентрации рупоров зависит от частоты. На средних частотах он доходит до 30-50. Такая высокая концентрация создает большое осевое звуковое давление, передающий рупор как бы усиливает звук. На самом деле он только концентрирует звуковую энергию в определенном направлении. Кроме того, вследствие согласованности сопротивлений рупора и окружающей среды, с одной стороны, и рупора и механической колебательной системы, с другой, излучаемая мощность при использовании рупора больше, чем без него.
Сравните эти данные с данными для духовых музыкальных инструментов: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.
d - диаметр выходного отверстия рупора. В этом случае коэффициент концентрации Ω = 25 в широком диапазоне частот.
Рис. 6.14. Виды рупоров:
а) сдвоенный рупор; б) секционированный рупор; в) сложенный рупор
Большое распространение получили рупоры с прямоугольным выходным отверстием. Такие рупоры имеют разную направленность во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рупора, продольную и поперечную оси выходного отверстия. Направленность в каждой из этих плоскостей (продольной и поперечной) определяется отношениями размеров выходного отверстия с одной стороны и длиной волны с другой (6.19). Часто применяют сдвоенные круглые рупоры, т. е. два отдельных рупора со смежными выходными отверстиями (см. рис. 6.14а ). Такие рупоры могут приближенно рассматриваться как рупоры с прямоугольным выходным отверстием, имеющим поперечные размеры d и 2d , где d - диаметр выходного отверстия рупора.
В тех случаях, когда надо иметь одинаковое излучение в пределах телесного угла около π/2 , не зависящее от частоты, применяют секционированные рупоры (см. рис. 6.14б ).
Кроме частотных искажений, рупор вносит нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора.
Громкоговоритель – это устройство, преобразующее электрический звуковой сигнал на входе, в слышимый акустический сигнал на выходе. Для обеспечения надлежащего качества громкоговоритель должен работать громко и качественно - воспроизводить звуковой сигнал в допустимом (слышимом) динамическом (85-120дБ) и частотном (200 -5000Гц) диапазонах.
Громкоговорители имеют самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности: в промышленности, транспорте, спорте, культуре, сфере бытовых услуг. Например, в промышленности громкоговорители используются для обеспечения громкоговорящей связи (ГГС), в сфере транспорта – для экстренной связи, объявлений, в бытовой сфере – для пейджингового оповещения, а также музыкальной фоновой трансляции. В области культуры, спорта наиболее широкое применение имеют профессиональные акустические системы, предназначенные для качественного музыкального оформления мероприятий. На базе таких систем строятся системы звукового обеспечения (СЗО). Громкоговорители активно применяются в широкой сфере организационных мероприятий по защите населения: в сфере безопасности – в системах оповещения и управление эвакуацией (СОУЭ), в сфере гражданской обороны – в локальных системах оповещения (ЛСО) и предназначены для непосредственного (звукового) оповещения людей при пожаре и чрезвычайных ситуациях.
2. Трансформаторные громкоговорители
Трансформаторные громкоговорители – громкоговорители со встроенным трансформатором являются конечными исполнительными элементами в проводных трансляционных системах, на базе которых строятся системы оповещения о пожаре, локальные системы оповещения, системы громкоговорящей связи. В таких системах реализован принцип трансформаторного согласования, при котором отдельный громкоговоритель или линия с несколькими громкоговорителями подключается к высоковольтному выходу трансляционного усилителя. Передача сигнала в высоковольтной линии позволяет сохранять величину передаваемой мощности за счет уменьшения токовой составляющей, тем самым минимизировать потери на проводах. В трансформаторном громкоговорителе осуществляется 2 этапа преобразования. На первом этапе при помощи трансформатора происходит понижение напряжения высоковольтного звукового электрического сигнала, на втором этапе осуществляется преобразование электрического сигнала в слышимый акустический звуковой сигнал.
На рисунке изображена задняя часть корпусного настенного трансформаторного громкоговорителя. Трансформаторный громкоговоритель состоит из следующих частей:
Корпус громкоговорителя в зависимости от области применения может быть выполнен из различных материалов, наиболее широким из которых на сегодняшний день является АВС пластик. Корпус необходим как для удобства монтажа громкоговорителя, предохранения токоведущих частей от попадания пыли и влаги, улучшения акустических характеристик, формирования необходимой диаграммы направленности (ШДН).
Понижающий трансформатор предназначен для понижения высоковольтного напряжения входной линии (15/30/60/120В или 25/75/100В) до рабочего напряжения электродинамического преобразователя (динамика). Первичная обмотка трансформатора может содержать несколько отводов (например, полная мощность, 2/3 мощности, 1/3 мощности), что позволяет варьировать выходной мощностью. Отводы маркируются и подключаются к клеммным колодкам. Таким образом каждый такой отвод обладает своим импедансом (r, Ом) – реактивным сопротивлением (первичной обмотки трансформатора) зависящим от частоты. Выбирая (зная) значение импеданса можно рассчитать мощность (p, Вт) громкоговорителя при различных напряжениях (u, В) входной трансляционной линии, как:
p = u 2 / r
Клеммная колодка обеспечивает удобство подключения трансляционной линии к различным отводам первичной обмотки трансформаторного громкоговорителя.
Динамик – устройство для преобразования электрического сигнала на входе в звуковой (слышимый) акустический сигнал на выходе. Подключается ко вторичной обмотке понижающего трансформатора. В рупорном громкоговорителе роль динамика выполняет драйвер, жестко скрепленный с рупором.
3. Устройство динамика
Динамик (электродинамический преобразователь) – громкоговоритель, преобразующий электрический сигнал на входе, в звуковые волны на выходе при помощи механической подвижной системы диафрагмы или диффузора (см. рисунок, картинка взята из интернета).
Основным рабочим узлом электродинамического громкоговорителя является диффузор, который осуществляет преобразование механических колебаний в акустические. Диффузор громкоговорителя приводится в движение силой, действующей на жестко скрепленную с ним катушку, находящуюся в радиальном магнитном поле. В катушке течет переменный ток, соответствующий аудио сигналу, который должен воспроизвести громкоговоритель. Магнитное поле в громкоговорителе создается кольцевым постоянным магнитом и магнитной цепью из двух фланцев и керна. Катушка под действием силы Ампера свободно движется в пределах кольцевого зазора между керном и верхним фланцем, а ее колебания передаются диффузору, который в свою очередь создает акустические колебания, распространяющиеся в воздушной среде.
4. Устройство рупорного громкоговорителя
Рупорный громкоговоритель является (активным первичным) средством воспроизведения звукового акустического сигнала в допустимом частотном и динамическом диапазонах. Характерными особенностями рупора являются обеспечение высокого акустического звукового давления за счет ограниченного угла раскрыва и относительно узкого частотного диапазона. Рупорные громкоговорители используются в основном для речевого оповещения, находят очень широкое применение в местах с повышенным уровнем шума – подземные стоянки, автовокзалы. Высококонцентрированный (узконапрвленный) звук позволяет применять их на ж/д. станциях, в метрополитенах. Наиболее часто рупорные громкоговорители применяются для озвучивания открытых площадок – парки, стадионы.
Рупорный громкоговоритель (рупор) является согласующим элементом между драйвером (излучателем) и окружающей средой. Драйвер, жестко связанный с рупором, преобразует электрический сигнал в звуковую энергию, поступающую и усиливаемую в рупоре. Усиление звуковой энергии внутри рупора осуществляется за счет специальной геометрической формы, обеспечивающей высокую концентрацию звуковой энергии. Использование в конструкции дополнительного концентрического канала позволяет существенно уменьшить размеры рупора при сохранении качественных характеристик.
Рупор состоит из следующих частей (см. рисунок, картинка взята из интернета):
- металлическая диафрагма (a);
- звуковая катушка или кольцо (b);
- цилиндрический магнит (c);
- компрессионный драйвер (d);
- концентрический канал или выступ (e);
- рупор или горн (f).
Рупорный громкоговоритель работает следующим образом: электрический звуковой сигнал поступает на вход компрессионного драйвера (d) преобразующего его в акустический сигнал на выходе. Драйвер (жестко) скреплен с горном (f) обеспечивающим высокое звуковое давление. Драйвер состоит из жесткой металлической диафрагмы (a) приводимой в движение (возбуждаемой) звуковой катушкой (витком или кольцом b) намотанной на цилиндрический магнит (c). Звук в данной системе распространяется от драйвера, проходя через концентрический канал (e), экспоненциально усиливается в рупоре (f), после чего поступает на выход.
ПРИМЕЧАНИЕ: В различной литературе и в зависимости от контекста могут встречаться следующие наименования рупора – мегафон, горн, репродуктор, рефлектор, труба.
5. Подключение трансформаторных громкоговорителей
В трансляционных системах наиболее распространен вариант, когда к одному трансляционному усилителю необходимо подключить несколько трансформаторных громкоговорители, например, для увеличения громкости или площади покрытия.
При большом количестве громкоговорителей удобней всего подключать их не непосредственно к усилителю, а к линии, которая в свою очередь подключена к усилителю или коммутатору (см. рисунок).
Длина таких линий может быть достаточно протяженной (до 1км). К одному усилителю может быть подключено несколько таких линий, при этом следует соблюдать следующие правила:
ПРАВИЛО 1 : Трансформаторные громкоговорители подключаются к трансляционному усилителю (только) параллельно.
ПРАВИЛО 2 : Суммарная мощность всех громкоговорителей, подключенных к трансляционному усилителю (в том числе через релейный модуль), не должна превышать номинальной мощности трансляционного усилителя.
Для удобства и надежности подключения(соединения) необходимо использовать специальные клеммники.
6. Классификация громкоговорителей
Возможный вариант классификации громкоговорителей представлен на рисунке.
Громкоговорители для систем оповещения можно классифицировать по следующим категориям:
- По области применения,
- По характеристикам,
- По конструктивному исполнению.
7. Область применения громкоговорителей
Громкоговорители имеют широкую область применения: от громкоговорителей используемых в тихих закрытых помещениях, до громкоговорителей используемых на шумных открытых площадках, в зависимости от акустических характеристик – от речевых объявлений до фоновой музыкальной трансляции.
В зависимости от условий эксплуатации и области применения громкоговорители можно разбить на 3 основных группы:
- Громкоговорители внутреннего исполнения – используются для применения в закрытых помещениях. Для данной группы громкоговорителей характерна не высокая степень защиты (IP-41).
- Громкоговорители внешнего исполнения – используются для применения на открытых площадках. Такие громкоговорители иногда называют уличными. Для данной группы громкоговорителей характерна высокая степень защиты (IP-54).
- Громкоговорители взрывозащищенного исполнения (взрывозащищенные) – используются для применения во взрывоопасных помещениях или на территориях с повышенным содержанием агрессивных (взрывоопасных) веществ. Для данной группы громкоговорителей характерна высокая степень защиты (IP-67). Такие громкоговорители применяются в нефтяной, газовой промышленности, на атомных станциях и т.д.
Каждой из групп можно сопоставить соответствующий класс (степень) защиты IP. Под степенью защиты понимается способ ограничивающий доступ к опасным токоведущим и механическим частям, попадание твердых предметов и (или) воды внутрь оболочки.
Маркировка степени защиты оболочки электрооборудования осуществляется при помощи международного знака защиты (IP) и двух цифр, первая из которых означает защиту от попадания твердых предметов, вторая - от проникновения воды.
Наиболее распространенными для громкоговорителей, являются следующие степени защиты:
- IP-41 где: 4 – Защита от посторонних предметов размером более 1 мм; 1 – Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства. Громкоговорители такого класса чаще всего устанавливаются в закрытых помещениях.
- IP-54 где: 5 – Пылезащита, при которой некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не должно нарушать работу устройства; 4 – Брызги. Защита от брызг, падающих в любом направлении. Громкоговорители такого класса чаще всего устанавливаются на открытых площадках.
- IP-67 где: 6 – Пыленепроницаемость, при которой пыль не должна попасть в устройство, полная защита от контакта; 7 – При кратковременном погружении вода не должна попадать в количествах, нарушающих работу устройства. Громкоговорители данного класса устанавливаются в местах, подверженных критическим воздействиям. Существуют и более высокие степени защиты.
8. Характеристики громкоговорителей
Громкоговорители в зависимости от области применения и класса решаемых задач можно дополнительно классифицировать по следующим признакам:
- по ширине амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);
- по ширине диаграммы направленности (ШДН);
- по уровню звукового давления.
8.1 Классификация громкоговорителей по ширине АЧХ
В зависимости от ширины АЧХ громкоговорители можно разделить на узкополосные, полосы которых достаточно только для воспроизведения речевой информации (от 200Гц до 5кГц) и широкополосные (от 40Гц до 20кГц), применяемые для воспроизведения не только речи, но и музыки.
Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению – это графическая или численная зависимость уровня звукового давления от частоты сигнала, развиваемого громкоговорителем в определенной точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра при постоянном значении напряжения на выводах громкоговорителя.
В зависимости от ширины АЧХ громкоговорители могут быть узкополосными и широкополосными.
Узкополосные громкоговорители, характеризуются ограниченным значением АЧХ и, как правило, используются для воспроизведения речевой информации, находящейся в диапазоне от 200...400 Гц –низкий мужской голос, до 5...9 кГц – женский высокий голос.
Широкополосные громкоговорители характеризуются широкой АЧХ. Качество звучания громкоговорителя определяется величиной неравномерности частотной характеристики – разности максимального и минимального значений уровней звукового давления в заданном диапазоне частот. Для обеспечения надлежащего качества данная величина не должна превышать 10%.
8.2 Классификация громкоговорителей по ширине диаграммы направленности
Ширина диаграммы направленности (ШДН) определяется типом и конструкцией громкоговорителя и существенным образом от частотного диапазона.
Громкоговорители с узкой ШДН называют узконаправленными (например, рупорные громкоговорители, прожекторы). Преимуществом таких громкоговорителей является высокое звуковое давление.
Громкоговорители с широкой ШДН называют широконаправленными (например, акустические системы, звуковые колонны, корпусные громкоговорители).
8.3 Классификация громкоговорителей по звуковому давлению
Громкоговорители можно условно различить по уровню звукового давления.
Уровень звукового давления SPL (Sound Pressure Level) - измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц. Величину SPL называемую чувствительностью громкоговорителя (измеряется в децибелах, дБ) следует отличать от (максимального) уровня звукового давления, max SPL, характеризующего способность громкоговорителя воспроизводить без искажений верхний уровень заявленного динамического диапазона. Таким образом, звуковое давление громкоговорителя (в паспортах обозначается как, maxSPL) по другому называемое громкостью громкоговорителя и складывается из его чувствительности (SPL) и электрической (паспортной) мощности (Р, Вт), переведенной в децибелы (дБ), по правилу "десяти логарифмов":
maxSPL = SPL + 10Lg(P)
Из данной формулы видно, что высокий или низкий уровень звукового давления (громкости) в большей степени зависит не его электрической мощности, а от чувствительности определяемой типом громкоговорителя.
Громкоговорители внутреннего исполнения, как правило, имеют maxSPL не превышающее 100дБ, в то время как звуковое давление, например, рупорных громкоговорителе может достигать 132дБ.
8.4 Классификация громкоговорителей по конструктивному исполнению
Громкоговорители для трансляционных систем различаются по конструктивному исполнению. В самом общем случае громкоговорители можно разделить на корпусные (с электродинамическим громкоговорителем) и рупорные. Корпусные громкоговорители в свою очередь можно разделить на потолочные и настенные, врезные и накладные. Рупорные громкоговорители могут отличаться формой раскрыва – круглые, прямоугольные, материалом – пластик, алюминий.
Пример классификации громкоговорителей по конструктивному исполнению дан в статье "Конструктивные особенности громкоговорителей ROXTON".
9. Расстановка громкоговорителей
Одной из актуальных является задача правильного выбора типа, количества. Правильной схемой расстановки громкоговорителей можно добиться хороших результатов – высокого качества звучания, фоновой разборчивости, равномерного (комфортного) распределения звука. Приведем несколько примеров.
Для озвучивания открытых площадок используются рупорные громкоговорители, благодаря таким их характеристикам, как высокая степень направленности звука и высокий КПД.
В коридорах, галереях и других протяженных помещениях рекомендуется устанавливать звуковые прожекторы. Прожектор может устанавливаться как в конце коридора – однонаправленный прожектор, так и в середине коридора – двунаправленный прожектор и способен легко пробивать длины, в несколько десятков метров.
При использовании потолочных громкоговорителей необходимо учитывать, что звуковая волна от громкоговорителя распространяется перпендикулярно полу, следовательно, озвучиваемая площадь, определяемая на высоте ушей слушателей, представляет собой круг, радиус которого для диаграммы направленности 90° принимается равным разности высоты потолка (крепления громкоговорителя) и расстояния до отметки 1,5м от пола (по нормативным документам).
В большинстве задач для расчетов потолочной акустики используется (геометрический) лучевой метод, при котором, звуковые волны отождествляются с геометрическими лучами. При этом диаграмма направленности потолочного громкоговорителя определяет угол вершины прямоугольного треугольника, а половина основания – радиус круга. Таким образом для расчета площади озвучиваемой потолочным громкоговорителем достаточно теоремы Пифагора.
Для равномерного озвучивания помещения громкоговорители следует устанавливать так, чтобы результирующие площади слегка перекрывали друг друга. Необходимое количество громкоговорителей получается из отношения величин озвучиваемой площади к площади, озвучиваемой одним громкоговорителем. Расстановка громкоговорителей определяется геометрией здания. Расстояние между громкоговорителями, или шаг расстановки, определяют, исходя из областей покрытия. При неправильной расстановке (превышении шага) звуковое поле будет распределяться неравномерно, в некоторых областях будут наблюдаться провалы, ухудшающие восприятие.
В случае применения громкоговорителей с большим звуковым давлением, возрастает уровень реверберационного фона, что приводит к такому негативному явлению, как эхо. Чтобы компенсировать этот эффект, пол и стены помещения покрывают или отделывают звукопоглощающими материалами (например, коврами). Еще одна причина реверберации – неправильная расстановка громкоговорителей. В помещениях с высокими потолками близко расположенные громкоговорители являются источником мощной помехи друг для друга. Для уменьшения данного влияния громкоговорители желательно располагать на большем расстоянии, но для сохранения характеристик придется увеличивать мощность. В таких случаях можно порекомендовать использовать подвесные звуковые громкоговорители.
Расстановка громкоговорителей в помещениях осуществляется после предварительных расчетов. Расчеты могут как подтверждать, так и определять различные схемы расстановки, наиболее эффективными из которых являются: расстановка по схеме "квадратная решетка", "треугольник", в шахматном порядке. Для расстановки громкоговорителей в коридорах основным расчетным параметром является шаг расстановки.
Вопросы, связанные с электроакустическим расчетом и с расстановкой громкоговорителей будут, подробно освещены в следующей статье.
Как известно, громкоговоритель может быть нагружен на рупор. Известны две модификации устройства рупорных головок. В первой из них, так называемой широкогорлой, горло рупора непосредственно примыкает к диффузору головки. За счет того, что устье имеет диаметр больше диаметра диффузора головки, направленность такого рупора острее направленности головки. Поэтому звуковая энергия концентрируется на оси рупора и звуковое давление здесь возрастает.
Во второй модификации (узкогорлой) рупор сочленяется с диафрагмой (диффузором) головки через предрупорную камеру, играющую роль, аналогичную роли электрического согласующего трансформатора. Здесь согласуются механические сопротивления подвижной системы головки и горла рупора, что увеличивает нагрузку на диафрагму и как бы повышает ее сопротивление излучения, благодаря чему сильно повышается КПД. Таким образом, это дает возможность получить большое звуковое давление.
Имеется много различных типов рупоров, но практически наиболее часто применяют в бытовой аппаратуре экспоненциальный рупор, сечение которого изменяется по закону:
S = S 0 ∙ e βx ,
где S 0 – площадь входного отверстия рупора,
β – показатель экспоненты.
На рис. 1 приведены различные профили рупоров:
Как можно вывести из формулы выше, поперечное сечение такого рупора увеличивается на одинаковое процентное значение через каждую единицу его осевой длины. Значение этого процентного приращения определяет нижнюю граничную частоту рупора. На рис. 2 представлена зависимость процентного приращения поперечного сечения на 1 см осевой длины от нижней граничной частоты. Так, например, чтобы обеспечить воспроизведение рупором нижней граничной частоты 60 Гц, площадь поперечного сечения должна увеличиваться на 2% через каждый 1 см его осевой длины. Эту зависимость можно представить и в виде следующего выражения:
f гр.н = 6,25 ∙ 10 3 ∙ lg (0,01 k + 1)
где k – приращение площади поперечного сечения, %.
Для низких частот (до 500 Гц) это выражение упрощается и принимает вид: f гр.н = 27k
Если рупор делается квадратного или круглого сечения, то сторона квадрата или диаметр круга должны увеличиваться на каждый 1 см длины рупора на √ k процентов. Если же его делают прямоугольного сечения с постоянной высотой, то ширина сечения рупора должна увеличиваться на k процентов на каждый 1 см его длины.
Однако выдержать необходимое процентное увеличение сечения еще не достаточно для хорошего воспроизведения низких частот. Нужно иметь достаточную площадь его выходного отверстия – устья. Его диаметр (или диаметр равновеликого круга) должен быть:
D ≥ λ гр.н / ∏ ≈ 110 / f гр.н
Так, для нижней граничной частоты 60 Гц диаметр устья составит около 1,8 м. Для боле низких граничных частот размеры устья будут еще больше. Кроме того, рупорная головка, хорошо воспроизводя низшие частоты (выше f гр.н ), недостаточно хорошо воспроизводит широкий частотный диапазон. Учитывая это, целесообразно иметь две рупорных головки: одну для воспроизведения низких, а другую – для высоких частот. На рис. 3 представлен внешний вид и сечение такой АС с двумя рупорными головками и фазоинвертором для воспроизведения частот ниже f гр.н рупора.
Применение низкочастотных рупорных оформлений в жилых помещениях ограничено размерами помещения. Однако, если такая возможность имеется, то расчет рупора следует начинать, задавшись площадью устья по выбранной нижней граничной частоте, уменьшая сечение на процентов на каждый 1 см осевой длины до тех пор, пока не достигают площади сечения, равной площади диффузора головки. При этом, для того чтобы сопрячь головку с широкогорлым рупором, рупор должен иметь сечение той же формы, т.е. круглое или эллиптическое. Для узкогорлых рупоров идентичность фомы сечения и диафрагмы головки не обязательно, так как горло и диафрагма сочленяются через предрупорную камеру. Отметим, сто высота камеры должна быть существенно больше амплитуды колебаний подвижной системы головки во избежание возникновения сильных нелинейных искажений из-за несимметричности деформации объема воздуха в камере. Однако слишком большая высота предрупорной камеры ухудшает воспроизведение высоких частот.
Иногда, чтобы уменьшить габаритные размеры АС, применяют свернутые рупоры, различные конструкции которых показаны на рис. 4. Свернутые рупоры рассчитывают практически так же, как и обычные. При расчете профиля необходимо следить за тем, чтобы в местах перехода (сгиба колен) не было резких изменений сечений, вызывающих нерегулярности в частотной характеристике.
Семейство рупорных спикеров, выпускаемых компанией Inter-M, пополнилось изделием модульного типа. Новый громкоговоритель состоит из двух независимых частей: акустического рупора SH-317 и съемного опционного драйвера DU-30T (или DU-40T).
Акустический рупор и драйверная головка стыкуются посредством унифицированного резьбового соединения. Это дает возможность простой замены модулей при подборе мощности громкоговорителя, его профилактики или ремонта.
Применение модульного принципа способствует достижению более высоких технических характеристик рупорных громкоговорителей, а возможность самостоятельного соединения отдельных модулей между собой позволяет пользователю собрать громкоговоритель с необходимыми техническими характеристиками.
Громкоговоритель отличается более равномерной частотной характеристикой, высоким звуковым давлением, четкостью воспроизведения речи, стойкостью к воздействию экстремальных внешних условий. Его целесообразно применять для озвучивания стадионов, территорий коммерческих центров, парков, автомобильных стоянок, строительных площадок, заводских цехов, складских помещений.
Назначение
Модульный всепогодный громкоговоритель в составе рупорного устройства SH-317 и драйверной головки DU-30T (DU-40T) предназначен для передачи речевых сообщений в трансляционных звуковых системах с напряжениями до 100 В внутри помещений и на открытых пространствах.
Ожидаемый срок поставки: под заказ
Конструкция
Громкоговоритель состоит из акустического рупора и драйверной головки. Рупор и головка выпускаются как независимые, взаимодополняющие компоненты, соединяемые друг с другом при помощи цилиндрической резьбы с внешним диаметром 1-3/8” и шагом 18 ниток на дюйм. Данное соединение является универсальным и позволяет осуществлять стыковку модулей разных типов.
- 1 - магнитная система
- 2 - акустическая мембрана
- 3 - рупорное устройство
- 4 - резьбовое соединение модулей
Рис. 1. Схема модульного громкоговорителя в разрезе
Поставляемые драйверные головки рассчитаны на подводимую мощность 30 Вт (DU-30T) и 40 Вт (DU-40T). Они имеют одинаковые геометрические размеры. Механическая прочность отдельной головки достигается за счет применения фланца из силумина и защитной крышки из пластика толщиной стенок 3 мм. Выходное акустическое отверстие модуля снабжено защитной металлической сеткой.
Рис. 2. Драйверная головка DU-40T (DU-30T)
Рис. 3. Вид драйверной головки без задней крышки
Внутри головки располагается трансформатор и электроакустический излучатель. Последний имеет в своем составе специальную куполообразную мембрану из стеклоткани с гофрированным подвесом и звуковой катушкой, размещенной в магнитной системе, содержащей высококачественный феррит.
Рис. 4. Магнитная система DU-40T
Рис. 5. Звуковая мембрана драйверной головки
Входное сопротивление электроакустического излучателя соответствует 8 Ом. Для согласования с трансляционной линией напряжением 100 В применяется широкополосный трансформатор, размещенный внутри защитной крышки модуля.
Рис. 6. Согласующий трансформатор в корпусе DU-40T
Благодаря трансформатору реализуется как высокоомное подключение DU-30T/40T в линию на полную или половинную мощность, так и низкоомное - с сопротивлением 8 Ом на полную мощность.
Входные провода громкоговорителя имеют цветовую маркировку.
Рупорный модуль SH-317 служит в качестве «акустического трансформатора» для согласования акустических сопротивлений плотной излучающей мембраны и менее плотной воздушной среды, а также для формирования диаграммы направленности громкоговорителя.
Рис. 7. Рупорный модуль SH-317
Модуль состоит из пластикового рупора и силуминового фланца с резьбой для крепления SH-317 к драйверной головке. На фланце установлен стальной поворотный кронштейн, служащий для монтажа громкоговорителя и ориентации его в пространстве.
Рис. 8. Вид SH-317 со стороны резьбового соединения
С целью эффективного распределения акустической энергии в пространстве прямоугольная апертура рупора обеспечивает более широкий угол излучения в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной.
Модульный громкоговоритель позволяет эффективно воспроизводить сигналы с нижней границей частотного диапазона от 300 Гц, что обеспечивает точность передачи речевого сигнала, натуральность и узнаваемость звучания речи.
Громкоговоритель развивает высокий уровень звукового давления, в том числе, за счет концентрации звуковой энергии в относительно узком угле излучения. Его чувствительность соответствует 110 дБ, что превышает аналогичный показатель спикеров серии HS. При номинальной мощности 30 Вт рупор SH-317 с модулем DU-30T создает на расстоянии 1 м 124,7 дБ, а с модулем DU-40T – 126 дБ. Данные уровни существенно превышают все возможные бытовые и производственные шумы. Размещать модульные громкоговорители следует с учетом исключения возможности возникновения опасного дискомфорта для людей, находящихся поблизости, так как болевой порог человеческого слухового восприятия равен 120 дБ.
Задняя крышка и рупор громкоговорителя выполнены из ABS пластика, которому свойственны повышенная ударопрочность, долговечность, стойкость к воздействию высоких и низких температур, влаги, щелочей и кислот, прямого солнечного излучения. Наружные металлические части изделия покрыты порошковой краской с последующей темообработкой. В местах соединения элементов модулей проложены герметизирующие материалы.