Туманный рупор что это
Пение плазмы: туманные перспективы ионофонов
Сегодня наиболее распространённым типом звуковых излучателей в акустических системах является динамический громкоговоритель. Несколько реже применяются изодинамические и ещё реже электростатические драйверы. Многие убеждены в том, что динамики, как тип громкоговорителя, исчерпали ресурс развития, и эволюция акустических систем должна идти по другому пути.
На текущий момент плазменный излучатель (ионофон) остаётся экзотикой для немногочисленных аудиофилов, а также радиолюбителей, экспериментирующих с созданием твиттеров этого типа. В этом материале я познакомлю (тех, кто не знаком) с принципом работы таких излучателей, уделю внимание истории «поющих дуг», опишу достоинства и недостатки, расскажу о самостоятельных и серийных разработках ионофонов, а также поделюсь своими мыслями о перспективах массового применения таких излучателей в аудиоаппаратуре.
Принцип действия: когда мембрана становится лишней
Принцип действия ионофона следующий – источником звуковых волн является зазор между электродами, в котором возникает электрическая дуга при подаче переменного тока высокого напряжения (около 10 кВ – 15 кВ), с частотой около 20-30 МГц. При воспроизведении ток разряда модулируется аудиосигналом, за счет чего происходит изменение объёма ионизированного воздуха между электродами — формируются звуковые волны.
Фактически, ионофон создаёт звук подобно разряду молнии, только в отличие от последнего этот процесс можно контролировать.
Существуют два типа ионофонов, которые отличаются локализацией возникновения разрядов. Первый предполагает возникновение коронного разряда около одного электрона. Во втором дуга, формирующая звуковой волны, возникает между двумя электродами. Коронный тип распространён при промышленном производстве ионофонов, дуговой чаще используется в опытах энтузиастов и кустарном изготовлении. Для повышения эффективности звукового излучения, как правило, используется рупорное акустическое оформление излучателей.
Важная особенность ионофонов состоит в том, что они используются, чаще всего, для воспроизведения высокочастотного спектра. При воспроизведении средних и низких частот нужно увеличивать зазор между электродами, следовательно, ещё больше поднять напряжение.
Основательно забытая инновация 19-го века
В 1900 году британский физик и изобретатель Вильям Даддел (Дуддел) стал первым, кто продемонстрировал контролируемое извлечение звуков из электрической дуги. Даддел использовал фортепианную клавиатуру для управления питающим током. Изобретение получило громкое название «Поющая дуга», и сейчас признано, как один из первых прообразов синтезатора. Гаджет впечатлил современников физика, но не получил развития.
Специализированный звуковой излучатель на основе этого принципа в 1946-м году предложил Зигфрид Клейн. Он ограничил дугу, поместив её в небольшую кварцевую трубку, которая соединялась с рупором. Коронный разряд в излучателе Клейна создаётся между анодом, (находящимся в кварцевой трубке) и катодом (металлическим цилиндром), в который была помещена анодная трубка.
При подаче на электроды напряжения 10 кВ (с частотой 100 кГц), модулированного аудиосигналом, вокруг анода возникало облако ионизированного воздуха, которое при сжатии и расширении (в результате модуляции) формировало звуковую волну. Температура, возникавшая в области коронного разряда, достигала 1700 оС — это существенно снижало живучесть электродов. Для повышения практичности излучателей Клейн пытался использовать платину и другие металлы. Позже появился специальный сплав хрома, алюминия и железа, благодаря которому проблема термической устойчивости электродов была решена.Не меньшей проблемой ионофона Зигфрида Клейна был характерный свист, сопровождающий появление коронного разряда. Нежелательный звук был устранён многократным увеличением частоты генератора (до 20 МГц).
В течение второй половины прошлого века попытки серийного выпуска ионофонов были у таких компаний как Plessely, Telefunken, Magnat, Audax, Fane Acoustics. Наиболее успешными разработками, при создании ионофонов, считаются серийные твиттеры компаний Lansche Audio, Acapella и наших соотечественников Viger-Audio. В частности Lansche Audio запатентовали, применяемый ими коронный излучатель, который продаётся под коммерческим названием CORONA.
Достоинства и недостатки идеальных высоких
Принцип действия ионофона акустически привлекателен отсутствием подвижных частей и мембраны. Это позволяет избавиться от переходных искажений, проблем с резонансами и прочих неприятностей, характерных для электромеханических излучателей. Теоретически, ионофоны не должны искажать звук, а АЧХ этих излучателей абсолютна равномерна. Тесты ионофонов демонстрируют предельно низкий уровень искажений, недостижимый для других типов излучателей, а также способны воспроизводить высокие частоты далеко за пределами возможностей человеческого слуха (до 150 кГц).
При всей массе достоинств, ионофоны пока (а возможно и в дальнейшем) не получили широкого распространения. Причина в целом ряде недостатков устройств этого типа. Главной проблемой является безопасность драйверов, т.к. для создания дуги необходим ток высокого напряжения. Немаловажен термический фактор, температура ионизированного воздуха может достигать 2000 oC, что, в случае определённых видов брака и нарушений условий эксплуатации, может стать причиной пожара.
Ионизация воздуха в процессе работы излучателя с образованием озона чревата появлением головной боли, раздражением слизистой глаз и верхних дыхательных путей. При этом, вопреки расхожему мнению, озон не является главной проблемой, так как O3 неустойчив при высоких температурах и разлагается на О2 и атомарный кислород. В серийных устройствах для поглощения и расщепления озона применяются специальные керамические катализаторы.
Очень существенным недостатком является высокая себестоимость драйвера, для производства которого, помимо серьёзной технологической базы, необходимы достаточно дорогие сплавы и материалы.
Энтузиасты, приручающие плазму
Многочисленные радиолюбители и приверженцы DIY-разработок активно создают собственные ионофоны с 50-х годов 20-го века по сию пору. Эти смелые разработчики презирают опасности, связанные с токсичностью озона, поражением током высокого напряжения и прочими незавидными сложностями ионофоностроения. Например, советские конструкторы Е. Плоткин, Б. Каратеев и В. Прютц создали АС с ионофонами в качестве ВЧ-излучателей, которая получила первую премию на XVI Всесоюзной выставке творчества радиолюбителей.
You Tube наводнён видеоматериалами, в которых экспериментаторы делятся своими успехами.
Наиболее впечатлившее меня DIY-устройство, из увиденных в роликах об ионофона, создано пользователем с ником jmartis2.
В сети великое множество схем и описаний DIY-ионофонов, генераторы которых созданы на базе микросхем, кремниевых транзисторов и радиоламп. Некоторые радиолюбители выкладывают подробные руководства с эскизами разводки печатных плат, особенностями распайки и т.п. Многие радиолюбители создают ионофоны на базе микросхемы NE555.
Прилагаю оригинальную схему стерео ионофона, созданного на базе этой микросхемы.
Для создания такого устройства понадобятся:
1. Выпрямительную часть (диодный мост + электролитический конденсатор 3300мкФ 16В в качестве фильтра для сглаживания пульсаций)
2. Генераторную часть (две микросхемы NE555 + обвязка микросхем)
3. Повторитель типа push-pull на выходе микросхем для снижения нагрузки на них.
4. Коммутационная часть в виде двух полевых транзисторов IRL3705n по одному на канал.
5. Индикаторная часть (светодиод + токоограничительный резистор)
6. Сетевой трансформатор 220В==>14В 1,5А
7. Высоковольтные трансформаторы
По моим наблюдениям, основной проблемой радиолюбительских конструкций является живучесть электродов и «свист» дуги, что не позволяет использовать многие из этих разработок для высококачественного и длительного воспроизведения звука.
Будущее дугового звука
Из всего, что известно об ионофонах можно сделать достаточно печальный вывод. Идеальный твиттер ещё длительное время будет доступен только для ограниченного круга не бедных аудиофилов, а также для энтузиастов радиолюбителей, которые создадут его сами.
Массовое серийное производство этих излучателей начнется только тогда, когда инженеры найдут способ снизить их себестоимость. Кроме того, некоторые производители не станут вкладывать в ионофоны из прагматичного нежелания создавать новую производственную базу. Устраивающие потребителей динамики не требуют существенных вложений в освоение производства. Не берусь судить однозначно, но полагаю, что массовый выпуск ионофонов начнётся через несколько десятилетий, если это вообще произойдёт.
Про дудки и свистульки. Или как работает рупор на примере ВЧ-излучателя Edge EDPRO45T со съемной «дудкой»
Недавно в одном из разговоров был задан вопрос о том, как работает высокочастотник с рупорным оформлением. Появилась идея найти какой-нибудь излучатель со съемной «дудкой» и посмотреть, что он умеет с ней и без неё.
Как работает рупорный компрессионный излучатель
Название серьезное, но, по сути, мы имеем дело с обычным динамиком. Посмотрите на обратную сторону – обычная магнитная система.
Только в отличие от обычного динамика звуковая катушка толкает не дифузор, а металлическую мембрану. Мембрана находится внутри корпуса, и звуковые колебания излучаются не сразу в открытое пространство, а «проталкиваются» через небольшое отверстие (собственно, поэтому излучатель и называется компрессионным). На выходе этого отверстия как раз и ставится рупор.
Чтобы понять, для чего нужен рупор, вот вам наглядный пример. Выйдите на балкон и что-нибудь крикните. Пока соседи офигевают, продолжите эксперимент – возьмите какой-нибудь журнал из плотной бумаги, сверните его конусом, и крикните уже через него. Теперь срочно уходите с балкона, пока вам не вызвали «дурку», и делайте выводы.
Их, как минимум, два. Во-первых, с рупором стало громче. Значит, при той же подаваемой мощности можно получить более высокое звуковое давление. Во-вторых, с рупором изменился тембр голоса. Значит, формой «дудки» можно корректировать АЧХ. Для начала этого достаточно. Теперь смотрим то же самое на конкретном примере.
Строго говоря, когда мы снимаем пластиковую «дудку» с Edge EDPRO45T, то не полностью лишаемся рупора. Сама излучающая мемебрана находится глубоко внутри корпуса, так что правильней говорить – с коротким рупором и с большим рупором.
Итак, первым делом смотрим, влияет ли рупор на импеданс динамика. Синяя кривая – без накрученной «дудки», зеленая – всё в сборе.
Как видите, разница хоть и небольшая, но всё же есть. Причина в том, что рупор акустически нагружает излучающую мембрану. Воздушная масса в коротком рупоре и в длинном рупоре будет «сопротивляться» движению мембраны по-разному. Кстати, один из моментов – плавно ли закруглен выход рупора или же у него острые края. Это тоже вносит свои коррективы в поведение воздушной массы внутри рупора.
Теперь смотрим АЧХ по оси и под углом. Красная кривая – без накрученной «дудки», зеленая – всё в сборе:
Как видите, с рупором действительно получается громче, а заодно и АЧХ становится не такой корявой. Вот вам и подтверждение сказанного ранее — повышение эффективности и коррекция АЧХ.
Как превратить недостатки в достоинства
Раз уж динамики всё равно были у меня в руках, решил ещё немного поэкспериментировать. Ну не нравился мне этот горб в районе 2 кГц. Ничего хорошего для звука он не обещал. Включаю излучатель через простой фильтр первого порядка. Кто не понял – через обычный конденсатор. Смотрите, как это отразилось на АЧХ. На нижнем краю диапазона она немного опустилась, оставив все как есть наверху. Стало очень даже неплохо:
Зелёная кривая – собственная АЧХ излучателя
Синяя кривая – с включенным последовательно конденсатором 3,3 мкФ,
Фиолетовая кривая – с включенным последовательно конденсатором 4,7 мкФ:
Драйвер эффективно излучает, начиная уже с 1,5-2 кГц. Кстати, можно иметь этот вариант ввиду, если СЧ-динамики «глухие» и неохотно работают выше 1-2 кГц.
Комментарии 16
Строго говоря, громче рупор только в одном направлении. За счет сужения диаграммы направленности, все давление идет в одну зону. Плюсы — динамик акустически нагружен и работает в оптимальном режиме. Обратная сторона медали — трубные и жестяные призвуки (если не делать огромный рупор для устранения краевых эффектов), а потом горбатый рупорный звук приходится жестко корректировать фильтрами со всем вытекающими. Слушать тоже в нужно одной зоне, отраженка не работает, звук утомляющий.
В авто совсем не подходит, там важна максимально широкая дисперсия.
На практике пришел к выводу, что рупоры имеет смысл применять только в дальней зоне (дома, в больших помещениях). Там как раз минусы рупоров уходят, плюсы остаются.
А запись хорошая, мне понравилась. И оформлено здорово.
Чем меряете?
К слову, пищалки #F1 Status рупорные
Вообще-то там кольцевой излучатель. Как раз в отличие от классических купольных твитеров, где по центру купола наибольшие потери и искажения (изгибные деформации), здесь его нет, работает только зона, присоединенная к звуковой катушке, что и обеспечивает лучший контроль и отдачу.
Может, фазовыравнивающий колпачок за рупор приняли? Так в технических описаниях как раз и обозначено, что колпачок-игла предназначен для снижения турбулентности и работает как волновод. В даташите даже специально указано, что приняты конструктивные меры для борьбы с акустической компрессией на высокой мощности, то есть технически это полная противоположность рупорам.
По той же причине и от ферромагнитной жидкости в зазоре отказались. Эта конструкция именно максимально далека от рупоров. За счет чего и получили такой звук.
да, скан, да, кольцевой. Но и короткий рупор присутствует, иначе был бы плоский фланец позади диафрагмы. Чтобы получился «классический» кольцевой рупор, форму центрального тела поменять на пулевидную, и всё.
Очень яркий пример из мира «типа якобы SQ» — пищалки Audison Prima Ap1, вот там рупор ясно виден, как и фазовыравнивающее тело
Назначение скругленного фланца то же, что и у основания иглы — симметрирование нагрузки по краям излучателя и снижение краевых эффектов (все та же борьба с турбулентностью, что и у иглы), на подробных схемах это хорошо видно.
Там даже мотора называется симметричный )), хотя и немножко в другую тему, Patented Symmetrical Drive (SD-2) motor.
Нет, это не рупор, с компрессией здесь борьба во всех аспектах.
С плоским фланцем появилось бы взаимодействие с местом установки, а здесь условную скорость потока снижают непосредственно в твитере (с более предсказуемыми результатами). Делают правильно, ранние отражения наиболее значимы.
По аналогии вход-выход трубы ФИ делают максимально скругленным наружу (а классический ФИ имеет трубу с концами одинаковой длины и снаружи, и внутри ящика), и никаких препятствий у выхода трубы, поверхности максимально монотонные. А самые правильные рупоры тоже имеют снаружи максимально закругленный лопух, никаких резких изломов.
Эту образующую можно рассматривать и так и этак, присутствуют все эффекты. По поводу турбулентности, при такой амплитуде мембраны это сродни влиянию подставок для проводов
Про турбулентность — вообще термин применяется к воздушному потоку, амплитуда да, невелика, но скорость звука, т.е. продольная волна сжатия-разрежения и для НЧ и для ВЧ одна и та же, а вот влияние поверхностей для этих частот значительно выше, роль интерференции тоже возрастает с уменьшением периода.
Если я скажу диссипация, будет еще менее понятен физический смысл. Не нравится термин — хорошо, скажем, гладкая образующая (суть всё та же, любой излом прилегающей поверхности — зло, поэтому колпачок на конце — игла), основное назначение — фазовыравнивающее. Излучение приводится к максимально когерентному, то есть эффективному, виду.
Если имеете в виду, что потоком воздуха там не сдувает — да, в этом смысле турбулентности нет 🙂 Удельная эффективность твитеров выше, чем у НЧ динамиков. Вообще потоки делят на ламинарные (упорядоченные) и турбулентные (хаотичные), в данном случае термин оттуда. А турбулентность как причина потерь известна даже в оптике, если привязываете её к амплитуде и частотам.
Строго говоря, громче рупор только в одном направлении. За счет сужения диаграммы направленности, все давление идет в одну зону. Плюсы — динамик акустически нагружен и работает в оптимальном режиме. Обратная сторона медали — трубные и жестяные призвуки (если не делать огромный рупор для устранения краевых эффектов), а потом горбатый рупорный звук приходится жестко корректировать фильтрами со всем вытекающими. Слушать тоже в нужно одной зоне, отраженка не работает, звук утомляющий.
В авто совсем не подходит, там важна максимально широкая дисперсия.
На практике пришел к выводу, что рупоры имеет смысл применять только в дальней зоне (дома, в больших помещениях). Там как раз минусы рупоров уходят, плюсы остаются.
А запись хорошая, мне понравилась. И оформлено здорово.
Чем меряете?
Точно так и есть — «концентрация» звуковой энергии в узком «луче» и коррекция АЧХ )))
Комплекс Audiomatica Clio
Полезная штука в хозяйстве, себе бы такую )))
Кстати, про коррекцию АЧХ — у Bruel & Kjaer микрофонов сами вырезы на корпусе вокруг капсюля — индивидуальный корректор АЧХ.
слово «драйвер» было вставлено специально для поисковика Гугла.
динамики с акустической линзой считаются рупорными, или купольными?
купольными с линзой 🙂
Ачх +-5 дб получается? Кривовата
У рупоров внеосевая АЧХ резко заваливается наверху, а эти замеры явно на оси.
Что значит внеосевая? Диаграмму направленности рупора могу понять.
При замерах не на оси рупора (в направлениях 15, 30, 45 градусов от оси).
В данном случае правый горб на АЧХ при смещении микрофона в сторону будет быстро опускаться (у обычной акустики медленно).
Поэтому у рупоров часто вот такая картина и бывает. На оси слушать невозможно — мозг выгрызает звоном, а чуть в стороне АЧХ выравнивается и вроде ничего. Этим компенсируют узкую направленность. Для твитеров это особенно заметно.
Исторически так сложилось, что рупоры в силу высокой чувствительности брали к слабеньким по мощности ламповым однотактникам, то есть товар в элитном разделе (и высоком ценовом), отсюда и легенды о чудесном звуке. А по сути рупор — мегафон.
Как работает рупор
Если мы хотим усилить голос, мы используем рупор. При этом многие люди полагают, что рупор просто не дает звуку рассеиваться по сторонам и направляет его в нужную сторону. Т.е. он берет от источника ту же акустическую энергию, которую источник излучал без рупора, и концентрирует ее в узкий пучок.
Практика, однако, показывает, что рупор гораздо эффективнее, чем просто концентратор. С рупором сам источник начинает излучать гораздо больше мощности, чем без рупора. Лорд Релей в свое теории звука пишет так: “Для острого конуса <рупора>интенсивность <излучения>больше не только за счет уменьшения телесного угла <т.е. концентрации>, внутри которого распределяется звук, но так же и потому, что сама полная энергия, испускаемая источником, возрастает”. И далее “Если отвлечься от трения, то, уменьшая угол раскрытия рупора, от данного источника можно получить любое желаемое количество энергии и в то же самое время удлинением конуса обеспечить беспрепятственный переход этой энергии от рупора к окружающему воздуху”. Почему так получается?
Для начала посмотрим, как вообще эффективно излучать звук. Создать звуковую волну не так просто, как это кажется. Обычно звук создается колеблющимися мембранами, например, диффузором динамика. У такого диффузора всегда две поверхности, и обе они излучают звук, причем по очевидным геометрическим причинам их излучение противофазно, т.е. если диффузор с одной стороны сжимает воздух, то с другой он его всегда разряжает. Поэтому динамик – это не один, а всегда два источника звука, которые находятся на разных сторонах диффузора и излучают противофазно.
Два противофазных источника – это проблема, т.к. звуковая волна вместо распространения в пространство стремится замкнуться с одного источника на другой. Для наглядности рассмотрим колебания низкой частоты. Например, если диффузор динамика движется вперед, то он по нашему замыслу должен сжимать воздух перед собой и разрежать его за собой. Но вместо этого воздух практически без сопротивления перетечет вокруг диффузора с его передней стороны на заднюю, т.к это гораздо проще. Диффузор в этом случае почти не чувствует сопротивления воздуха и колеблется как бы в вакууме. Получается, что каким бы мощным ни был источник звука, он не может затратить свою мощность на сжатие воздуха, т.к. последний под этим давлением просто обтекает излучатель:
Этот поток воздуха вокруг диффузора есть мощная звуковая волна, которая излучается с одной стороны диффузора на другую. Аналогично замыкаются и звуки других частот, волны которых укладываются на пути от передней стороны мембраны до задней целое число раз. Это т.н. акустическое короткое замыкание. Акустическое короткое замыкание приводит к тому, что звук, излучаемый динамиком, им же и поглощается по более или менее длинному замкнутому пути. Когда такое замыкание происходит, динамик перестает совершать работу на излучение звука и колеблется, почти не замечая воздуха, как в вакууме. Такое короткое замыкание может быть не только с одной стороны диффузора на другую, но и на одной и той же стороне диффузора (при отражении звука от внешних препятствий), и даже между диффузорами двух разных динамиков.
Очевидное средство против короткого замыкания двух сторон диффузора – увеличить его диаметр. Путь его огибания в этом случае увеличивается, и воздуху в центре диффузора становится легче сжаться, чем обтекать диффузор (по краям же диффузора по прежнему преобладает акустическое замыкание). Общее правило простое: чем ниже частота звука, тем больше должен быть диффузор для эффективного излучения этого звука. Это известное правило соответствия размера излучателя и длины волны излучения.
Вместо увеличения размера диффузора можно просто вставить его в стенку, которая хотя и не излучает сама, но препятствует акустическому замыканию. Развивая эту идею, можно вообще изолировать заднюю и переднюю поверхности диффузора друг от друга, вставив динамик в стенку замкнутого ящика (обычная звуковая колонка).
Интересно, что динамик в ящике даже при малой амплитуде колебаний излучает звук гораздо эффективнее, чем динамик без ящика, у которого амплитуда колебаний может быть даже больше. Это кажется странным, ведь амплитуда колебаний диффузора прямо связана с амплитудой колебаний звуковой волны. Так и есть, открытый динамик создает очень мощный звук, но он замкнутый с одной стороны диффузора на другую, он существует вокруг динамика и не уносит энергию. А динамик в ящике, хотя и имеет меньшую амплитуду колебаний диффузора, но зато весь этот звук излучается вовне.
У ящика есть очевидный недостаток: все, что излучается с задней стороны диффузора, замыкается в ящике и пропадает. Обычно внутренность ящика обивается звукопоглощающим материалом, чтобы этот звук не переотражался внутри от стенок, а просто поглощался. В этом случае с точки зрения динамика внутренность ящика выглядит, как бесконечное пространство, в которое он бесполезно излучает “обратный” звук. Это конечно лучше акустического короткого замыкания, которое вообще уничтожает весь звук, но 50% потерь – это слишком много.
Хорошим решением было бы откачать воздух из ящика, чтобы задняя сторона диффузора не могла излучать. Возможно, когда изобретут динамики, которые могут выдержать давление атмосферы на диффузор, так и будет.
Если говорить о полезном использовании излучения с обратной стороны динамика, то самым простым кажется простой разворот этого излучения на 180% и сложение с прямым. Например, при помощи трубы:
Звук, исходящий из трубы, должен быть копией звука, исходящего с передней части диффузора. В этом случае мощности этих звуков складываются и акустическое короткое замыкание не происходит. В точности это невозможно, т.к. звук из трубы – это всегда задержанный звук, да еще инвертированный, т.к. снимается с задней стороны диффузора. Для неизменного во времени сигнала, скажем, для синусоиды фиксированной частоты, это не проблема. Если инвертированную синусоиду задержать на половину волны, то она совпадет с прямой, так что правильная задержка обратного звука компенсирует его инверсию, и мы получаем два синхронных излучателя звука: передняя часть диффузора и труба (инверсия сигнала с помощью задержки по фазе – отсюда фазоинвертор). Мощность возрастает вдвое в сравнении с ящиком. Нужная задержка регулируется длиной трубы. Проблема в том, что для разных частот длина трубы должна быть разной, т.е. инвертированный сложный сигнал уже никакой задержкой невозможно совместить с прямым. Поэтому такая труба работает идеально только для одной частоты настройки и ее гармоник. Для других частот она бесполезна, а для частот, расположенных между гармониками частоты настройки, она вообще дает отрицательный эффект и приводит к акустическому короткому замыканию. На практике обычно эта труба работает только на частоте настройки, которую выбирают настолько низкой, чтобы еще более низкие частоты, на которых труба будет давать замыкание, уже не были слышны или вообще отсутствовали бы в сигнале. Чтобы труба не давала замыкания на частотах выше частоты настройки, ее делают коленчатой и обивают звукопоглощающим материалом. В этом случае более высокие частоты через нее просто не проходят, и для них ящик выглядит замкнутым.
Фазоинвертор позволяет использовать некоторую часть низкочастотного спектра обратного звука, но весь остальной спектр все равно приходится гасить. Можно ли как-то улучшить этот результат?
Радикальным решением является рупор. Рупор – это, грубо говоря, лупа для диффузора. Мембрана, колеблющаяся в узкой части рупора, проецируется в его широкую часть с пропорциональным увеличением размера и амплитуды колебаний:
По картинке кажется, что из рупора выходит гораздо более мощный звук, чем тот, который излучает маленькая мембрана, но тут просто не показано давление. Маленькая мембрана хотя и имеет малый ход, но встречает на нем очень сильное сопротивление воздуха, который она сильно сжимает. Поэтому ее работа за период такая же, как у эквивалентной большой мембраны с большим ходом.
Чтобы понять работу рупора, рассмотрим работу динамика в ящике на открытом воздухе, и на трубу:
Несложно показать, что при одинаковом “вдохе” динамика кинетическая энергия сдвинутого воздуха в случае трубы будет больше, чем в открытом случае. То же и на “выдохе”. Так получается потому, что в трубе почти весь воздух вынужден приобрести скорость диффузора, а на открытом воздухе такую скорость приобретает только ближайшие слои воздуха, а далее эта скорость быстро падает по чисто геометрическим причинам. Поэтому на трубу динамик отдает заметно больше акустической энергии, чем просто в воздух.
Трубу можно удлинить и уменьшить в диаметре, а диффузор динамика оставить таким же. В итоге воздух будет вынужден двигаться даже быстрее диффузора, кинетическая энергия того же обьема воздуха при “вдохе” возрастет еще больше:
Беда в том, что просто так из трубы, особенно узкой, звук не может выйти наружу, т.к. ее открытый торец отражает звуковую волну обратно. Чтобы отражения не было, диаметр конца трубы должен быть больше длины волны, т.е. на практике как можно больше. Логичное решение – приделать к торцу трубы коническое расширение:
Однако в месте ступенчатого соединения конуса с трубой все равно очень велико обратное отражение. Самое лучшее решение: совместить трубу с конусом в один элемент, который вначале расширяется слабо, а к концу все быстрее:
Это и есть классическая конструкция рупорного громкоговорителя. Итак, основная идея рупора заключается в том, чтобы за одно движение диффузора окружающий воздух приобретал бы максимальную кинетическую энергию, т.е. воздухом с диффузора снималась бы максимальная звуковая энергия, для чего хорошо подходит воздух в узком канале, т.к. там он вынужден двигаться очень быстро. А чтобы этот звук из канала выходил наружу без обратных отражений, канал должен постепенно расширяться к выходу.
Интересно, что диффузор, работающий на рупор, можно делать все меньше и меньше в диаметре, амплитуду его колебаний тоже можно уменьшать. При этом рупор по прежнему способен излучать звуки низких частот. В пределе динамик рупора превращается в мощную электромагнитную систему “магнит – катушка”, двигающую маленькую мембрану на маленькое расстояние, но создающую очень больше давление на воздух. У рупоров даже появляется специфическое искажение звука из-за того, что адиабатическое сжатие воздуха нелинейно – давление газа растет быстрее, чем уменьшается его объем (из-за нагрева при сжатии). Такое искажение есть у всех излучателей звука, но у рупоров оно выражено больше из-за сильного сжатия воздуха.
У рупора нет проблем с акустическим замыканием и бесполезным рассеиванием “заднего” звука, т.к. задняя сторона его диффузора, лишенная рупора, почти не излучает звук. Она для этого слишком мала и имеет слишком малую амплитуду колебаний.
Рупор позволяет диффузору передавать свою энергию в воздух, а динамик в ящике и тем более открытый динамик почти не могут этого делать. В результате закрытый ящик превращает в звук менее 1% поданной на него электрической энергии, ящик с фазоинвертором – всего 2…3%, а рупор – это почти качественный скачок – 30…50%.