Рупорный громкоговоритель - Horn loudspeaker
Рупорный громкоговоритель является громкоговоритель или громкоговоритель элемент , который использует акустический рог , чтобы увеличить общую эффективность приводного элемента (ов). Обычная форма (справа) состоит из компрессионного драйвера, который производит звуковые волны с небольшой металлической диафрагмой, вибрирующей с помощью электромагнита , прикрепленной к рупору, расширяющемуся каналу для отвода звуковых волн в открытый воздух. Другой тип - низкочастотный динамик, установленный в корпусе громкоговорителя, который разделен внутренними перегородками, образуя зигзагообразный расширяющийся канал, который функционирует как рупор; такой тип рупорных динамиков называется сложенным . Рупор служит для повышения эффективности связи между динамиком и воздухом. Рупор можно рассматривать как «акустический преобразователь », который обеспечивает согласование импеданса между относительно плотным материалом диафрагмы и менее плотным воздухом. Результатом является большая выходная акустическая мощность данного драйвера.
Узкая часть звукового сигнала рядом с драйвером называется «горлом», а большая часть, наиболее удаленная от водителя, называется «ртом». Угловой охват ( диаграмма направленности ) рупора определяется формой и расширением рта. Основная проблема рупорных громкоговорителей состоит в том, что диаграмма направленности зависит от частоты; высокочастотный звук, как правило, излучается узкими лучами с плохими характеристиками вне оси. Были внесены значительные улучшения, начиная с рупора « постоянной направленности », изобретенного в 1975 году Доном Килом .
Главное преимущество рупорных громкоговорителей в том, что они более эффективны; они обычно могут производить примерно в 3 раза (10 дБ ) большую звуковую мощность, чем конический динамик на данном выходе усилителя. Таким образом, рупоры широко используются в системах громкой связи , мегафонах и звуковых системах для больших площадок, таких как театры, зрительные залы и спортивные стадионы. Их недостаток в том, что их частотная характеристика более неравномерна из-за резонансных пиков, а рупоры имеют частоту среза, ниже которой их отклик падает. (Частота среза соответствует длине волны, равной окружности рта рупора.) Для достижения адекватного отклика на низких частотах рупорные динамики должны быть очень большими и громоздкими, поэтому их чаще используют для средних и высоких частот. Первые практические громкоговорители, представленные на рубеже 20-го века, были рупорными. Из-за разработки в последние десятилетия конических громкоговорителей, которые иногда имеют более плоскую частотную характеристику, и доступности недорогого усилителя мощности, использование рупорных громкоговорителей в аудиосистемах высокого качества за последние десятилетия сократилось.
Операция
Акустический рупор преобразует большие колебания давления с небольшой площадью смещения в колебания низкого давления с большой площадью смещения и наоборот. Это достигается за счет постепенного, часто экспоненциального увеличения площади поперечного сечения рупора. Небольшая площадь поперечного сечения горловины ограничивает проход воздуха, тем самым создавая высокий акустический импеданс для динамика. Это позволяет водителю развивать высокое давление для заданного рабочего объема. Следовательно, звуковые волны в горле имеют высокое давление и малое смещение. Коническая форма рупора позволяет звуковым волнам постепенно разжиматься и увеличивать смещение, пока они не достигнут устья, где они имеют низкое давление, но большое смещение.
История технологий
Физика (и математика) работы рупора разрабатывалась в течение многих лет и достигла значительного совершенства перед Второй мировой войной. Самыми известными ранними рупорными громкоговорителями были громкоговорители на механических фонографах , где пластинка перемещала иглу из тяжелого металла, которая возбуждала колебания в небольшой металлической диафрагме, которая действовала как драйвер для рупора. Известным примером был рожок , через который Щипцы RCA собака услышала «Голос его хозяина». Рупор улучшает нагрузку и, таким образом, получает лучшую «передачу» энергии диафрагмы в воздух, поэтому колебания давления уменьшаются по мере того, как объем расширяется, а звук распространяется вверх по рупору. Такой вид согласования механического импеданса был абсолютно необходим во времена доэлектрического воспроизведения звука для достижения приемлемого уровня звука.
Мегафон
Мегафона , простой конус из бумаги или другого гибкого материала, является самым старым и простейшим акустическим звуковым сигналом, используемым до громкоговорителей в качестве пассивного акустического усилителя для механических граммофонов и для человеческого голоса; его до сих пор используют чирлидеры и спасатели. Поскольку форма конического сечения описывает часть идеальной сферы излучаемого звука, конусы не имеют фазовых или амплитудных искажений волнового фронта. Маленькие мегафоны, используемые в фонографах и в качестве громкоговорителей, были недостаточно длинными, чтобы воспроизводить низкие частоты в музыке; у них была высокая частота среза, которая ослабляла две нижние октавы звукового спектра, придавая мегафону характерный металлический звук.
Экспоненциальный
Экспоненциальный рог имеет свойство загрузки акустическое , что позволяет водитель динамика оставаться равномерно сбалансирован в выходном уровне над его частотным диапазоном. Преимущества конструкции были впервые опубликованы CR Hanna и J. Slepian в 1924 году для Американского института инженеров- электриков (AIEE). Основным недостатком является то, что экспоненциальный рупор позволяет сужать диаграмму направленности при увеличении частоты, создавая высокочастотное «излучение» на оси и глухой звук вне оси. Другая проблема заключается в том, что для высокой эффективности на высоких частотах требуется горловина малого диаметра, но для низких частот лучше всего подходит горловина большего диаметра. Распространенным решением является использование двух или более рупоров, каждый с соответствующим размером горловины, размером рта и частотой вспышки для достижения наилучших характеристик в выбранном частотном диапазоне, с достаточным перекрытием частотных диапазонов для обеспечения плавного перехода между рупорами. Другое решение, которое попытался в конце 1930-х годов Гарри Ф. Олсон из RCA, заключался в использовании нескольких экспоненциальных скоростей вспышки, либо путем последовательного соединения все более крупных рупоров, либо путем разделения внутренней части одного рупора. Экспоненциальные рожки продолжают использоваться некоторыми дизайнерами и в некоторых приложениях.
Multicell
Ряд симметричных рупоров с узкой дисперсией, обычно экспоненциальных рупоров, можно объединить в матрицу, управляемую одним драйвером, для создания многоклеточных рупоров. Запатентованные в 1936 году Эдвардом К. Венте из Western Electric , многоклеточные рупоры используются в громкоговорителях с 1933 года для решения проблемы направленности на высоких частотах и обеспечивают отличную низкочастотную нагрузку. Их направленное управление начинает луч как по вертикали, так и по горизонтали в середине их целевого частотного диапазона, сужаясь дальше на высоких частотах с изменениями уровня до 10 дБ между лепестками. Многоклеточные рожки сложны и трудны в изготовлении, и, следовательно, сопряжены с более высокими затратами. Они сохранялись в общественных адресных заявок в течение многих лет , потому что, даже их недостатки, они звучали очень хорошо, и до сих пор с грамотным дизайном. Революционный коаксиальный драйвер, Altec Lansing Duplex 601 и 604, использовал многоклеточный рупор для высокочастотного компонента с 1943 по 1998 год.
Радиальный, секторный и дифракционный
Радиальные рупоры имеют две поверхности, основанные на экспоненциальной скорости вспышки, и две прямые стенки, которые определяют выходной рисунок. Радиальный рупор демонстрирует некоторое излучение экспоненциального рупора. Секторные рупоры Altec представляли собой радиальные рупоры с лопатками, помещенными в устье рупора для заявленной цели контроля рисунка. Для простоты монтажа на шкафах громкоговорителей были использованы плоские передние радиальные рупоры, например, компанией Community в их высокочастотном рупоре SQ 90. Дифракционный рупор JBL или рупор Смита был вариацией радиальной конструкции, в которой использовался очень маленький вертикальный размер у рта как метод предотвращения горизонтального излучения среднего диапазона радиальных рупоров, которые имеют больший вертикальный размер у рта.
Дифракционный рупор был популярен в конструкциях мониторов и в системах оповещения ближнего поля, которые выигрывают от его широкой горизонтальной диаграммы рассеивания. Как ни странно, узкий вертикальный размер обеспечивал расширенную вертикальную диаграмму направленности, приближающуюся к 90 ° для частот с длиной волны, равной узкому вертикальному размеру. Очень маленькая версия дифракционного рупора была разработана в 1991 году в сверхвысокочастотном преобразователе JBL модели 2405H, обеспечивающем выходную диаграмму 90 ° x 35 ° при 20 кГц .
Tractrix
Трактрисы рога очень похожи во многих отношениях с экспоненциальным рупором и приобрел сторонников среди DIY энтузиастов роге, аудиофилов потребителей и некоторых производителей. Он использует формулу кривой, полученную из предположения, что касательная к любой точке на внутренней кривой рупора будет достигать центральной оси рупора с отрезком линии заданной длины. Во рту сегмент касательной становится перпендикулярным оси и описывает радиус рта. Эта концепция рупора была изучена Полом Г.А. Фойгтом в середине 1920-х годов и запатентована в 1927 году. Размер рупора трактрисы определяется путем определения желаемой «отсечки» или предела низких частот, который будет определять диаметр устья. Два дополнительных улучшения по сравнению с экспоненциальным рупором включают немного лучшую поддержку расширения низких частот и несколько более широкий шаблон покрытия высоких частот.
Постоянная направленность
В мае 1975 года, чтобы решить проблемы изменения ширины луча на разных частотах, Д. Бродус «Дон» Кил-младший из Electro-Voice представил гибридный рупор с экспоненциальной скоростью расширения около горла, за которой следует коническая секция расширения и заканчивающаяся быстро расширяющийся фланец у устья. Фланец у горловины решил некоторые оставшиеся проблемы с выступами на более высоких частотах. Дон Кил определил в одной из версий своей конструкции более широкую горизонтальную вспышку для контроля рисунка, подходящего для целей громкой связи. В статье Кил излагается взаимосвязь между размером рта, частотой и углом охвата, что составляет основу для многих будущих разработок конструкции рупора. Одна проблема, обнаруженная при использовании рупоров с постоянной направленностью, заключается в том, что диаграмму покрытия по горизонтали нельзя сузить, не сделав диаграмму покрытия по вертикали слишком маленькой, чтобы ее можно было использовать.
Мантарай
Следуя работе Кила и используя его принципы, Клиффорд А. Хенриксен и Марк С. Уреда из Altec разработали совершенно другой гибридный рупор с постоянными характеристиками направленности, горизонтальной дифракцией или рупором Mantaray. Рупор Mantaray отделяет желаемую вертикальную схему покрытия от горизонтальной, что позволяет проектировать рупоры для различных схем покрытия. Форма Mantaray начинается с вертикально ориентированного дифракционного рупора в стиле JBL, ведущего в конический волновод (самые ранние конструкции) или квадратного или прямоугольного рупора с четырьмя плоскими сторонами. Для управления излучением среднечастотного диапазона внешнее горлышко дополнительно расширяется за счет короткого расширяющегося фланца в стиле Килла или с добавлением плоских сторон с большим углом расширения. Низкочастотная эффективность не так выражена, как конструкция с постоянной направленностью. В отличие от предыдущих конструкций, видимая вершина, которая является фокусом дисперсии структуры, не одинакова для каждой частоты, что делает волновой фронт эллипсоидальной формы, а не сферической. Из-за этого Mantaray можно удовлетворительно расположить только в одной плоскости (а не в нескольких плоскостях). Его резкие скачки в частоте вспышек вызывают компоненты дифракции, отражения и искажения.
Би-радиальный
К 1980 году Кил был в JBL, где он продвинул свои разработки и разработки Altec на шаг вперед. Он соединил дифракционный рупор в стиле JBL со вторичным рупором, состоящим из экспоненциально изогнутых сторон, полученных с помощью двух радиальных формул. Это привело к созданию гибридного рупора с постоянной направленностью, в котором не было компонентов искажения, связанных с резкими изменениями угла. Рынок хорошо отреагировал на дизайн таких продуктов, как студийный монитор JBL модель 4430 с его двухрадиальным высокочастотным рупором 100 ° × 100 ° модели 2344, часто называемым «ягодицами». У конструкции Bi-Radial были проблемы с видимой вершиной и возможностью сборки, как и у Mantaray.
Твин Бессель
Ramsa, профессиональное аудио- подразделение Panasonic Corporation , представило двойной рупор постоянной направленности Бесселя вскоре после появления Mantaray. Конструкция была очень похожа на Mantaray и Bi-Radial, но в ней использовалась двойная формула расширения Бесселя для определения скорости вспышки вторичной рупорной секции.
Характеристики CD-рожка
Наиболее популярные рупоры с постоянной направленностью (также известные как рупоры CD) страдают от несферических волновых фронтов, ограничений в возможности объединения и искажений при высоких уровнях звукового давления, а также от отражений и искажений, связанных с переходом от дифракционной щели к вторичному рупору. Они имеют тенденцию к сужению картины дисперсии на более высоких частотах, длины волн которых приближаются к ширине горловины или ширине дифракционной щели.
Поскольку высокие частоты рупора CD более разбросаны по его структуре покрытия, они кажутся ослабленными по сравнению с другими рупорами. Для CD-рупора требуется усиление эквализации примерно на 6 дБ на октаву с изгибом фильтра, расположенным в диапазоне от 2 до 4 кГц (в зависимости от конструкции рупора), чтобы звук был нейтральным и сбалансированным. Большинство производителей активных электронных аудиокроссоверов отреагировали на это требование, добавив дополнительный усиливающий фильтр CD EQ или полочный фильтр высоких частот. Например, такая схема была предоставлена посредством внутренних перемычек компанией BSS в кроссовере FDS-310 и компанией Rane в кроссоверах AC 22S и AC 23B. Rane позволил лучше управлять двумя полосами пропускания на передней панели («hi-mid» и «high») с помощью эквализации рупора CD, включая регулируемый частотный диапазон на кроссовере AC 24. Дальнейшие усовершенствования процесса фильтрации доступны в кроссоверах на базе DSP .
Гибридная постоянная направленность (HCD)
Впервые опубликованный в декабре 2019 года в статье о звуковой катушке, а затем на 148-й конференции AES в июне 2020 года, Дарио Чинанни представил новое семейство рожков.
Алгоритм HCD, уже используемый программой SpeakerLAB Horn.ell.a с 2006 года, преобразует любое расширение (экспоненциальное, гиперболический синус, гиперболический косинус, катеноидальный, трактрисовый, сферический или новое расширение) рупор в рупор с постоянной направленностью.
HCD позволяет поддерживать ту же акустическую нагрузку, что и исходное расширение. Алгоритм HCD уменьшает отражения по сравнению с рупором CD или в целом с рупором с несколькими вспышками, обеспечивая низкий уровень искажений при высоких уровнях звукового давления.
Подобно радиальному рупору, HCD предлагает постоянную направленность в одной плоскости, а именно прогрессивную постоянную направленность в плоскости вдоль главной оси устья рупора. Прогресс зависит от выбранной пропорции рта. Находясь на плоскости вдоль малой оси рта, мы будем иметь эквивалентный контур направленности круглого рожка для рта (с использованием того же расширения).
Многоканальный звуковой сигнал
В 1996 году Ральф Д. Хайнц из Renkus-Heinz получил патент на рупор с несколькими входами, который включал в себя несколько драйверов для двух полос пропускания, высоких и средних, звуковые волны которых все выходили в один рупор, но на разных расстояниях в зависимости от полосы пропускания. Он продавался как рупор "CoEntrant". Средне- и высокочастотные драйверы в линейке продуктов Renkus-Heinz ST / STX выходят через волновод «сложной конической формы». В конце 1990-х Томас Дж. «Том» Дэнли из Sound Physics Labs начал работу над трехканальным многоступенчатым рупором, выпустив SPL-td1 на рынок в 2000 году. В конструкции использовалось семь динамиков, один из которых высокочастотный. горловина рупора, четыре среднечастотных динамика около горла и два низкочастотных динамика перенесены ближе к горловине рупора. В 2001 году Том Дэнли начал разработку рупора «Unity» для Yorkville Sound , запатентовав усовершенствование в 2002 году. После выпуска в 2003 году линейки Yorkville Unity Дэнли основал Danley Sound Labs и разработал значительное усовершенствование по сравнению с SPL-td1, названное «Synergy». "рупор, что дает значительно лучший отклик по фазе и амплитуде, а также более гладкую диаграмму направленности. Конструкция синергетического рупора обещает большую выходную мощность, достигаемую за счет меньшего размера корпуса громкоговорителя . Поскольку в конструкции сохраняется управление структурой через области кроссовера и в большом диапазоне общей полосы пропускания, а также поскольку акустический центр конструкции находится рядом с задней частью корпуса, ее легче комбинировать в массивы для приложений громкой связи.
Волноводные рожки
Термин «волновод» используется для описания рупоров с низкой акустической нагрузкой, таких как конические, квадратичные, сплюснутые сфероидальные или эллиптические цилиндрические рупоры. Они больше предназначены для управления диаграммой направленности, а не для повышения эффективности за счет улучшенной акустической нагрузки. У всех рупоров есть некоторый контроль рисунка, и все волноводы обеспечивают определенную акустическую нагрузку, поэтому разница между волноводом и рупором является предметом суждения.
Квадратичный волновод
В 1999 году Чарли Хьюз из Peavey Electronics подал заявку на патент на гибридный рупор, который он назвал Quadratic-Throat Waveguide. Рупор в основном представлял собой простую коническую секцию, но его горловина была изогнута по дуге окружности, чтобы соответствовать желаемому размеру горловины для правильного соединения с драйвером динамика. Было обнаружено, что вместо увеличения размера рта рожка с помощью раструба для управления излучением средних частот, относительно тонкий слой пены, покрывающий край рта, подходит для того же конца. Волновод QT, по сравнению с популярными рупорами CD, давал примерно на 3-4 дБ более низкие уровни искажений второй гармоники на всех частотах и в среднем на 9 дБ более низкие уровни более раздражающих искажений третьей гармоники. Поскольку у волновода QT не было дифракционной щели, не было проблем с видимой вершиной, что делало его массивным по мере необходимости для целей оповещения.
Сплюснутый сфероидальный волновод
Конструкция рупора со сплющенным сфероидным волноводом (OSWG) улучшает управление диаграммой направленности на частотах выше 1 кГц, обеспечивает более низкую частоту направленности, чтобы лучше соответствовать среднечастотному драйверу, и, как утверждает изобретатель д-р Эрл Геддес, смягчает моды более высокого порядка, фазовые и амплитудные искажения. Практическое ограничение длины рупора явно не рассматривается в теории OSWG.
Приложения
Озвучивание и концертное использование
Рупорные громкоговорители используются во многих звуковых приложениях. Драйверы в рупорных громкоговорителях могут быть очень маленькими даже для низких частот, где обычные громкоговорители должны быть очень большими для эквивалентной производительности. Рупорные громкоговорители могут быть разработаны для воспроизведения широкого диапазона частот с использованием одного небольшого динамика; до некоторой степени они могут быть спроектированы без использования кроссовера .
Рупорные громкоговорители также могут использоваться для обеспечения очень высоких уровней звукового давления, необходимых для звукоусиления и громкоговорителей , хотя в этих приложениях с высоким звуковым давлением точность воспроизведения иногда снижается ради необходимой эффективности, а также для контролируемого рассеивания. характеристики, которые обычно требуются в большинстве пространств большого объема. «Gunness Focusing», новый метод противодействия некоторым искажениям рупора, особенно во временной области, был впервые применен Дэйвом Ганнессом, когда он работал с Eastern Acoustic Works (EAW). Громкоговорители EAW с рупорной нагрузкой, которые были обработаны с помощью этой запатентованной системы, демонстрируют уменьшенное искажение временного размытия диафрагмы компрессионного драйвера / фазового штекера, сохраняя при этом высокую выходную мощность и контролируемую дисперсию.
На концертных площадках часто используются большие массивы рупорных громкоговорителей для воспроизведения больших басов («басы» или сабвуферы ), чтобы обеспечить басы, которые зрители могут не только слышать, но и чувствовать. Объединение нескольких рупорных громкоговорителей в массив дает те же преимущества, что и наличие одного рупора с большей площадью рта: отсечка низких частот уменьшается по мере увеличения рта рупора, и массив имеет большую выходную мощность по сравнению с несколькими драйверами.
Коммерческие театры
В коммерческих кинотеатрах часто используются рупорные громкоговорители для управления диаграммой направленности и повышенной чувствительности, необходимой для заполнения большой комнаты.
Аудиофилы и домашнее использование
В бытовой аудиосистеме используются рупорные громкоговорители для контролируемой направленности (для ограничения отражения звука от поверхностей комнаты, таких как стены, пол и потолок) и для большей чувствительности громкоговорителей .
Рупорные громкоговорители могут обеспечить очень высокий КПД, что делает их хорошим выбором для очень маломощных усилителей , таких как несимметричные триодные усилители или другие ламповые усилители. После Второй мировой войны некоторые первые поклонники Hi-Fi зашли так далеко, что построили низкочастотные рожки, чьи рты занимали большую часть стены комнаты для прослушивания. Иногда глотки оказывались снаружи на лужайке или в подвале. С появлением стерео в 1960-х такой подход стал редкостью. Многие покупатели громкоговорителей и любители громкоговорителей своими руками искали конструкции меньшего размера из эстетических соображений.
Некоторые аудиофилы используют рупорные громкоговорители для воспроизведения звука, в то время как другие сторонятся рупорных систем из-за их гармонических резонансов, находя в них неприятную форму искажения . Поскольку существует множество конструкций рупоров (разной длины, материала и конуса), а также разные драйверы, до некоторой степени невозможно придать такие характеристики рупорным громкоговорителям. Аудиофилы, использующие усилители малой мощности, иногда диапазон от 5 до 25 Вт может найти высокую эффективность рупорных громкоговорителей особенно привлекательной чертой.И наоборот, высокая чувствительность может также значительно ухудшить любой фоновый шум, присутствующий на выходах усилителя.
Звуковые дорожки из фильмов имеют большой динамический диапазон, где пиковые уровни на 20 дБ выше средних уровней. Высокая чувствительность рупорных громкоговорителей помогает достичь уровней звука в кинотеатре в месте прослушивания с типичными приемниками / усилителями ~ 100 Вт на канал, используемыми в домашнем кинотеатре .
Смотрите также
использованная литература
Примечания
- Баллоу, Глен; Клифф Хенриксен (1987). «Громкоговорители, корпуса и наушники». Справочник для звукорежиссеров: Новая Аудио Циклопедия . Индианаполис, Индиана : ISBN Howard W. Sams & Co. 0-672-21983-2.
- Эргл, Джон М .; Крис Форман (2002). «Излучающие элементы» . JBL Audio Engineering для звукоусиления . Публикации JBL Pro Audio. ISBN 0-634-04355-2.
- Эргл, Джон М. (2003). «Рупорные системы» . Справочник по громкоговорителям, 2-е издание . Springer. ISBN 1-4020-7584-7.
- Квадратичный горловой волновод: Белая книга об изобретении Чарльза Э. Хьюза из Peavey Electronics Corporation . (2000) Джон Мюррей, Peavey Electronics .
внешние ссылки
- Lenard Audio Education по рупорным системам Иллюстрированное руководство по рупорным громкоговорителям * Сайт Frugal-Horns - рупорные проекты с открытым исходным кодом
- Смит-Хорн проекты