ВЛИЯНИЕ ПОМЕЩЕНИЯ И РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
Акустические особенности помещения, где осуществляется воспроизведение звука, оказывают влияние па частотную характеристику звукового давления, а следовательно, и на качество воспроизведения. Одна и та же аппаратура будет звучать по-разному в различных помещениях. К акустическим особенностям относятся: форма помещения, его объем и коэффициенты поглощения звука ограждающих помещение поверхностей (потолка, пола, стен). Так, например, шторы, ковры, мягкая мебель и т. п. обладают большим коэффициентом звукопоглощения, тогда как гладкий потолок и стены весьма мало поглощают звук и в значительной степени его отражают. Открытое окно является идеальным звукопоглотителем. Звукопоглощение А пропорционально площади поглотителя Sи его коэффициенту звукопоглощения a
A=aS
Всякое помещение (зал, аудитория, комната) представляет собой достаточно сложную акустическую систему, обладающую рядом собственных резонансных частот. При возбуждении в помещении каких-либо звуков, содержащих составляющие таких же частот, возникают резонансные колебания воздуха внутри помещения. Такое явление приводит к усилению звуков этих частот и изменению спектрального состава звукового сигнала, т.е. к изменению тембра.
Стоячие волны в помещении сильно нарушают равномерность звукового поля, так как появляются места с максимальным и минимальным звуковым давлением (пучности и узлы). Стоячие волны образуются не только между парами параллельных поверхностей, ограничивающих помещение, но и в других сочетаниях, имеющих место при косых направлениях распространения звуковых волн.
Однако первый тип колебаний (осевые моды) имеет наибольшее значение в деле формирования звукового поля в помещении, особенно малых размеров. Первая (осевая) частота собственных колебаний, возникающих между параллельными поверхностями, равна fp1=168/l, гц, где l — расстояние между ограничивающими поверхностями, м.
Гармонические составляющие этой частоты, кратные ей, будут в 2, 3 и т. д. раза больше. Таким образом, самая низкая частота собственных колебаний определяется наибольшим размером помещения (обычно длиной). Например, собственная частота при наибольшем расстоянии между стенами около 3,4 м составляет 50 гц. Самым неудачным по форме помещением для прослушивания является куб, так как у него во всех трех направлениях будет одинаковая основная резонансная частота и кратные ей частоты (гармоники). Итак, в любом помещении существует множество собственных колебаний, при этом в области, начинающейся с самой низшей собственной частоты, плотность спектра собственных колебаний сравнительно небольшая, но резко увеличивающаяся с повышением частоты. Поэтому начиная уже с частоты 150—200 гц для не очень малых помещений плотность спектра собственных колебаний настолько велика, что явление резонанса становится мало заметным. Большое помещение является более благоприятным для звуковоспроизведения, так как его основные резонансные частоты с увеличением размеров понижаются и оказываются за пределами рабочего диапазона частот, а гармоники благодаря большому их числу образуют почти сплошной спектр и не подчеркивают звуков отдельных частот. Желательно чтобы объем помещения, в котором осуществляется звуковоспроизведение, был не менее 42 м3, а один из линейных размеров был не менее 5 м.
Эффективным средством, улучшающим прослушивание, является наличие в помещении поглотителей звука, уменьшающих время реверберации. В театрах, кино, концертных залах применяются звукопоглотители, которыми покрывают потолок и верхнюю часть стен.
В домашних условиях звук поглощается мягкими вещами, включая и мебель. Конечно, и сами слушатели оказываются в роли звукопоглотителей и от их количества зависит степень поглощения в помещении. Для домашнего монофонического прослушивания считается подходящей комната с временем реверберации порядка 0,7— 0,9 сек (для стереофонического 0,4—0,5 сек). При этом чем больше объем комнаты, тем большим может быть время реверберации при сохранении хороших условий для звуковоспроизведения. На рис. 28 представлена зависимость наивыгоднейшего (оптимального) времени реверберации помещения от его объема. Для наглядного представления зависимости звукового давления, создаваемого громкоговорителем в помещении (в точке расположения измерительного микрофона), на рис. 29 приведены частотные характеристики одного и того же высококачественного громкоговорителя, измеренные в комнате и звукомерной (заглушенной) камере. Как видно, в обычной комнате (пунктирная кривая) на частотах ниже 400 гц характеристика весьма неравномерна, тогда как в звукомерной камере, где все ограждающие поверхности обладают большим коэффициентом звукопоглощения, характеристика (сплошная кривая) сглаживается. Вид частотной характеристики, снятой в комнате, сильно зависит от места установки микрофона или расположения громкоговорителя. На рис. 30 показаны частотные характеристики громкоговорителя в фазоинверторе, измеренные в области самых низких частот в открытом пространстве, что соответствует условиям звукомерной камеры 1, в жилой комнате у стены 2 и в углу 3. На рисунке видно, что в помещении возрастает уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем, причем установка его в углу комнаты повышает излучение низших частот приблизительно на 4 дб.
Рис. 28. Зависимость оптимального времени реверберации помещения от его объема.
Рис. 29. Частотные характеристики громкоговорителя, снятые в обычной комнате (пунктир) и в звукомерной камере (сплошная). По вертикальной оси отложены значения уровня звукового давления в децибелах.
Рис. 30. Зависимость уровня звукового давления (дб), развиваемого громкоговорителем на низших частотах, от места его расположения.
1 — в открытом пространстве; 2 — в комнате у стены; 3 — в углу.
Выбор громкоговорителя должен начинаться с определения его номинальной мощности, которая в свою очередь совместно с к.п.д. укажет и мощность выходного каскада усилителя низкой частоты.
Номинальная мощность громкоговорителя должна обеспечивать воспроизведение без его перегрузки, аследовательно, без заметного увеличения искажений, пиковых уровней наиболее громких видов передач, к которым относятся оркестры. Пиковые уровни на 6—9,5 дб превышают среднеквадратичные (эффективные) значения уровня передачи. Конечно, звуковоспроизводящая установка может быть сделана с некоторым запасом по мощности. Однако значительное завышение мощности установки (усилителя и громкоговорителей) ведет к ее удорожанию и особенно к увеличению стоимости эксплуатации.
Чем больше объем помещения, в котором должна работать звуковоспроизводящая установка, и чем больший уровень громкости желают установить при прослушивании, тем большей должна быть номинальная мощность установки. Помимо объема помещения, мощность усилителя зависит от к.п.д. применяемых громкоговорителей, а также от среднего коэффициента звукопоглощения помещения. В расчете принимается оптимальное время реверберации, при котором получается наилучшее звучание.
Если предположить равномерное распределение плотности звуковой энергии по помещению, то полная акустическая мощность источника звука выразится формулой
где p— эффективное значение звукового давления, дин/см2; A— полное звукопоглощение в помещении, выражаемое площадью идеального поглотителя звука (открытое окно), см2; — плотность воздуха, равная 0,0012 г/см3; c— скорость звука, равна 344*102 см/сек.
Полное звукопоглощение помещения А связано с его объемом VП и временем реверберации Т
Подставив в формулу для акустической мощности известные данные, выражение для А, и выразив мощность в ваттах, получим:
Для того чтобы определить требующуюся номинальную мощность громкоговорителя и усилителя вводим в эту формулу к.п.д. громкоговорителя , тогда окончательная расчетная формула для определения электрической мощности усилителя и громкоговорителей будет иметь вид:
Для большего удобства в определении необходимой мощности на рис. 31 приводятся расчетные номограммы в виде четырех наклонных прямых. С их помощью может быть найдена необходимая электрическая мощность усилителя и громкоговорителей, требующаяся для озвучивания помещения объемом в пределах от 20 до 300 м3. Номограммы для расчета электрической мощности сделаны для двух уровней звуковоспроизведения, соответствующих звучанию большого оркестра из 75 человек, с уровнем звукового давления 96 дб (эффективное звуковое давление 1,25 н/м2) и оркестра из 18 человек с уровнем 86 дб (эффективное звуковое давление 0,4 н/м2). В связи с тем что пиковое звуковое давление в 2— 3 раза больше эффективного, расчет номограмм проведен для обоих этих возможных пиковых значений.
Рис. 31. Номограммы для расчета мощности громкоговорителя и усилителя в зависимости от объема помещения и уровня интенсивности
звука.
1, 2 — для уровня интенсивности звука (большого оркестра (75 человек); 3, 4— для уровня интенсивности звука малого оркестра (18 человек).
Оптимальное время реверберации для помещений различных объемов показано на рис. 28. Коэффициент полезного действия громкоговорителя принят равным 1% (N=0,01). Эта величина может считаться гарантированной для большинства типов выпускаемых громкоговорителей, хотя, вероятно, часть из них (более мощных) обладает немного большим к.п.д. Использование в звуковоспроизводящей установке лучших громкоговорителей, чем это принято в расчете, приведет к образованию некоторого запаса по мощности.
Рис. 32. Зависимость относительных мощностей низко- и высокочастотной головок от частоты раздела.
В зависимости от объема помещения и желаемого уровня воспроизводимого звука (оркестр из 18 или 75 человек) требующаяся мощность громкоговорителя будет находиться между значениями, указываемыми двумя наклонными прямыми, относящимися к уровням интенсивности звука, соответствующим большему или меньшему оркестру.
Нижняя прямая в каждой паре (2и 4)указывает минимальную необходимую мощность, так как она относится к удвоенным значениям звукового давления при пиках передачи (уровни интенсивности звука 92 и 102 дб) и соответствует четырехкратному запасу мощности. Верхняя прямая (1 и 3)указывает максимальную необходимую мощность, так как она относится к утроенным значениям звукового давления при пиках передачи (уровни 95,5 и 105,5 дб)и соответствует девятикратному запасу мощности. Например для звуковоспроизведения в комнате объемом 51 м3 (площадь 17 м2, высота 3 м)при уровне интенсивности звука, соответствующем большому оркестру, требуется громкоговоритель и усилитель мощностью от 3,7 до 8,3 вт или, округляя, от 4 до 10 вт.
В том случае, когда время реверберации в помещении меньше оптимального, уровень интенсивности звука также будет несколько меньшим. Влияние увеличения звукопоглощения в комнате и соответствующего уменьшения времени реверберации можно оценить, открыв во время работы громкоговорителей окна, конечно, если площадь последних не менее 2—3 м2. Рассчитанная мощность относится к широкополосному громкоговорителю. Если же будет использоваться двух- или трехполосная система, то мощность низкочастотной и высокочастотной головок в зависимости от частоты раздела может быть определена по кривим рис. 32, построенным по указанным выше данным распределения текущей мощности натуральных звучаний на выходе НЧ и ВЧ фильтров. Мощность узкополосных головок определяется умножением мощности широкополосного громкоговорителя на величину относительной мощности, указываемой кривыми для выбранной частоты раздела.