Рупорный громкоговоритель — это громкоговоритель или элемент громкоговорителя, который использует акустический рупор для повышения общей эффективности движущего элемента(ов). Распространенная форма (справа) состоит из компрессионного драйвера , который производит звуковые волны с небольшой металлической диафрагмой, вибрирующей под действием электромагнита , прикрепленной к рупору, расширяющемуся каналу для проведения звуковых волн в открытый воздух. Другой тип — это низкочастотный драйвер, установленный в корпусе громкоговорителя , который разделен внутренними перегородками для формирования зигзагообразного расширяющегося канала, который функционирует как рупор; этот тип называется рупорным громкоговорителем. Рупор служит для повышения эффективности связи между динамиком динамика и воздухом. Рупор можно рассматривать как «акустический трансформатор », который обеспечивает согласование импеданса между относительно плотным материалом диафрагмы и менее плотным воздухом. Результатом является большая акустическая выходная мощность от данного драйвера. [1]
Узкая часть рупора рядом с драйвером называется «горлом», а большая часть, наиболее удаленная от драйвера, называется «рот». [1] Угловое покрытие ( диаграмма направленности ) рупора определяется формой и расширением устья. Основная проблема рупорных громкоговорителей заключается в том, что диаграмма направленности меняется в зависимости от частоты; высокочастотный звук имеет тенденцию излучаться узкими лучами с плохой внеосевой производительностью. [2] Были сделаны 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 10 раз [3] : стр.30 (10 дБ ) [4] [5] [6] больше звуковой мощности, чем конический громкоговоритель с заданной выходной мощностью усилителя. Поэтому рупоры широко используются в системах оповещения , мегафонах и звуковых системах для больших площадок, таких как театры, аудитории и спортивные стадионы. Их недостатком является то, 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 устья рупора. [7] ) Для достижения адекватного отклика на низких частотах рупорные громкоговорители должны быть очень большими и громоздкими, поэтому их чаще используют для средних и высоких частот. Первыми практичными громкоговорителями, представленными на рубеже 20-го века, были рупорные громкоговорители. В связи с разработкой в последние десятилетия диффузорных громкоговорителей, которые иногда имеют более плоскую частотную характеристику, а также с появлением недорогих усилителей, использование рупорных громкоговорителей в высококачественных аудиосистемах за последние десятилетия сократилось.
Акустический рупор преобразует большие изменения давления с малой площадью смещения в малые изменения давления с большой площадью смещения и наоборот. Он делает это посредством постепенного, часто экспоненциального увеличения площади поперечного сечения рупора. Малая площадь поперечного сечения горла ограничивает прохождение воздуха, тем самым представляя высокое акустическое сопротивление для водителя. Это позволяет водителю развивать высокое давление для заданного смещения. Поэтому звуковые волны в горле имеют высокое давление и малое смещение. Коническая форма рупора позволяет звуковым волнам постепенно декомпрессироваться и увеличивать смещение, пока они не достигнут устья, где они имеют низкое давление, но большое смещение. [8]
Физика (и математика) работы рупора разрабатывались в течение многих лет, достигнув значительной сложности перед Второй мировой войной. Наиболее известными ранними рупорными громкоговорителями были те, что были на механических фонографах , где пластинка перемещала тяжелую металлическую иглу, которая возбуждала колебания в небольшой металлической диафрагме , которая действовала как драйвер для рупора. Известным примером был рупор, через который Ниппер, собака RCA, слышала «Голос своего хозяина». Рупор улучшает нагрузку и, таким образом, получает лучшую «связь» энергии от диафрагмы в воздух, и поэтому изменения давления становятся меньше по мере расширения объема и распространения звука по рупору. Этот вид механического согласования импеданса был абсолютно необходим в дни доэлектрического воспроизведения звука для достижения пригодного уровня звука. [9]
Мегафон , простой конус из бумаги или другого гибкого материала, является старейшим и простейшим акустическим рупором, использовавшимся до громкоговорителей в качестве пассивного акустического усилителя для механических фонографов и для человеческого голоса; он до сих пор используется чирлидерами и спасателями. Поскольку коническая форма сечения описывает часть идеальной сферы излучаемого звука, конусы не имеют фазовых или амплитудных искажений волнового фронта. [ 2] Небольшие мегафоны, используемые в фонографах и в качестве громкоговорителей, были недостаточно длинными, чтобы воспроизводить низкие частоты в музыке; они имели высокую частоту среза, которая ослабляла нижние две октавы звукового спектра, придавая мегафону характерный металлический звук. [2]
Экспоненциальный рупор обладает свойством акустической нагрузки, которое позволяет динамику оставаться равномерно сбалансированным по уровню выходного сигнала в диапазоне частот. Преимущества конструкции были впервые опубликованы CR Hanna и J. Slepian в 1924 году для Американского института инженеров-электриков (AIEE). [11] Основным недостатком является то, что экспоненциальный рупор допускает сужение диаграммы направленности по мере увеличения частоты, что приводит к высокочастотному «излучению» на оси и глухому звуку вне оси. [2] Другая проблема заключается в том, что для высокой эффективности на высоких частотах требуется горловина небольшого 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 устья и скоростью расширения для наилучшей производительности в выбранном диапазоне частот, с достаточным перекрытием между частотными диапазонами, чтобы обеспечить плавный переход между рупорами. Другое решение, опробованное в конце 1930-х годов Гарри Ф. Олсоном из RCA, состояло в использовании нескольких экспоненциальных скоростей расширения, либо путем последовательного соединения все более крупных рупоров, либо путем разделения внутренней части одного рупора. [12] Экспоненциальные рупоры продолжают использоваться некоторыми конструкторами и в некоторых приложениях. [13]
Несколько симметричных, узкодисперсных, обычно экспоненциальных рупоров могут быть объединены в массив, управляемый одним драйвером, для создания многоячеистых рупоров. Запатентованные в 1936 году Эдвардом К. Венте из Western Electric , [14] многоячеистые рупоры использовались в громкоговорителях с 1933 года для решения проблемы направленности на более высоких частотах, и они обеспечивают превосходную нагрузку на низких частотах. Их направленное управление начинает излучать как вертикально, так и горизонтально в середине своего целевого частотного диапазона, сужая его еще больше на высоких частотах [2] с изменениями уровня до 10 дБ между лепестками. [15] Многоячеистые рупоры сложны и трудны в изготовлении и, следовательно, имеют более высокие сопутствующие расходы. Они сохранялись в приложениях для публичных выступлений в течение многих лет, потому что, даже при своих недостатках, они звучали очень хорошо, и все еще звучат при грамотном проектировании. [16] Революционный коаксиальный драйвер Altec Lansing Duplex 601 и 604 использовал многоячеистый рупор для своего высокочастотного компонента с 1943 по 1998 год. [17]
Радиальные рупоры имеют две поверхности, основанные на экспоненциальной скорости расширения, и две прямые стенки, которые определяют выходную диаграмму направленности. Радиальный рупор демонстрирует часть излучения экспоненциального рупора. [2] Секторальные рупоры Altec были радиальными рупорами с лопастями, размещенными в устье рупора для заявленной цели управления диаграммой направленности. Для удобства монтажа в корпуса громкоговорителей использовались плоские передние радиальные рупоры, например, компанией Community в их высокочастотном рупоре SQ 90. [18] Дифракционный или «Смитовский» рупор JBL был вариацией радиальной конструкции, использующей очень малый вертикальный размер в устье как метод избежания горизонтального излучения в среднем диапазоне радиальных рупоров, которые имеют больший вертикальный размер в устье.
Дифракционный рупор был популярен в конструкциях мониторов и для ближнепольных приложений оповещения, которые выигрывают от его широкой горизонтальной диаграммы рассеивания. [15] Вопреки здравому смыслу, узкий вертикальный размер обеспечивал обширную вертикальную выходную диаграмму, приближающуюся к 90° для частот с длиной волны, равной узкому вертикальному размеру. [16] Очень маленькая версия дифракционного рупора была разработана в 1991 году в сверхвысокочастотном преобразователе модели JBL 2405H, давая выходную диаграмму 90° x 35° при 20 кГц . [19]
Рупор трактрисы во многих отношениях очень похож на экспоненциальный рупор и приобрел приверженцев среди любителей самодельных рупоров, аудиофилов и некоторых производителей. [20] Он использует формулу кривой, полученную путем предположения, что касательная к любой точке внутренней кривой рупора достигнет центральной оси рупора с помощью отрезка линии заданной длины. В устье отрезок касательной становится перпендикулярным оси и описывает радиус устья. Эта концепция рупора была изучена Полом Г. А. Х. Фойгтом в середине 1920-х годов и запатентована в 1927 году. [21] Размер рупора трактрисы генерируется путем указания желаемого «среза» или предела низкой частоты, который будет определять диаметр устья. [20] Два дополнительных улучшения по сравнению с экспоненциальным рупором включают немного лучшую поддержку расширения низких частот и несколько более широкую схему покрытия высоких частот. [20]
В мае 1975 года [22] для решения проблем изменения ширины луча на разных частотах Д. Бродус «Дон» Кил-младший из Electro-Voice представил гибридный рупор с экспоненциальной скоростью расширения около горла, за которым следует коническая секция расширения и заканчивается быстро расширяющимся фланцем у устья. [23] Фланец у устья решил некоторые оставшиеся проблемы с лепестками на более высоких частотах. [16] Дон Кил в одной из версий своей конструкции указал более широкий горизонтальный раструб для управления диаграммой направленности, подходящий для целей публичного выступления. В статье Кила [24] изложены соотношения между размером устья, частотой и углом покрытия, что заложило основу для многих будущих разработок в области проектирования рупоров. [16] Одна из проблем, обнаруженных с рупорами с постоянной направленностью, заключается в том, что горизонтальную диаграмму покрытия нельзя сузить, не сделав вертикальную диаграмму покрытия слишком маленькой, чтобы быть полезной. [2]
После работы Киля и используя его принципы, Клиффорд А. Хенриксен и Марк С. Уреда из Altec разработали поразительно отличающийся гибридный рупор, демонстрирующий постоянные черты направленности, горизонтальный дифракционный или рупор «Mantaray». [25] [26] Рупор Mantaray отделяет желаемую вертикальную диаграмму направленности от горизонтальной, что позволяет проектировать рупоры для различных диаграмм направленности. Форма Mantaray начинается с вертикально ориентированного дифракционного рупора в стиле JBL, ведущего в конический волновод (самые ранние конструкции) или квадратный или прямоугольный рупор с четырьмя плоскими сторонами. [27] Для управления излучением в диапазоне средних частот внешний раструб дополнительно расширяется с помощью короткого расширяющегося фланца в стиле Киля или с добавлением плоских сторон с большим углом раскрытия. Эффективность на низких частотах не так выражена, как при конструкции с постоянной направленностью. [25] В отличие от предыдущих конструкций, кажущаяся вершина, [28] которая является фокусной точкой дисперсии рисунка, не одинакова для каждой частоты, что делает волновой фронт эллипсоидальным, а не сферическим. Из-за этого Mantaray может быть удовлетворительно выстроен только в одной плоскости (а не в нескольких плоскостях). Его резкие разрывы в скорости вспышки вызывают компоненты дифракции, отражения и искажения. [2]
К 1980 году Кил работал в JBL, где он продвинул свои и Altec разработки на шаг дальше. Он соединил дифракционный рупор в стиле JBL с вторичным рупором, состоящим из экспоненциально изогнутых сторон, полученных с использованием двух радиальных формул. Это привело к гибридному рупору постоянной направленности, который был свободен от компонентов искажения, связанных с резкими изменениями угла. [25] Рынок хорошо отреагировал на дизайн в таких продуктах, как студийный монитор JBL модели 4430 с его высокочастотным рупором 100° × 100° модели 2344 Bi-Radial, часто называемым «щеками». [30] У конструкции Bi-Radial были проблемы с видимой вершиной и возможностью размещения в массиве, как и у Mantaray. [2]
Ramsa, профессиональное аудиоподразделение Panasonic Corporation , представило двойной рупор с постоянной направленностью Бесселя вскоре после появления Mantaray. Конструкция была очень похожа на Mantaray и Bi-Radial, но в ней использовалась формула расширения Бесселя с двумя рядами для определения скорости расширения вторичной секции рупора. [31]
Большинство популярных рупоров постоянной направленности (также известных как рупоры CD) страдают от несферических волновых фронтов, ограничений в решетчатости и искажений при высоких уровнях звукового давления , а также отражений и искажений, связанных с переходом от дифракционной щели к вторичному рупору. [2] Они имеют тенденцию к сужению картины дисперсии на более высоких частотах, длины волн которых приближаются к ширине горла или ширине дифракционной щели. [15]
Поскольку высокие частоты рупора CD более разбросаны по его схеме покрытия, они кажутся ослабленными по сравнению с другими рупорами. Рупор CD требует усиления эквализации примерно на 6 дБ на октаву [32] с коленом фильтра, центрированным между 2 и 4 кГц [33] (в зависимости от конструкции рупора), чтобы звучать нейтрально и сбалансированно. Большинство производителей активных электронных аудиокроссоверов отреагировали на это требование, добавив дополнительный фильтр усиления эквалайзера CD или фильтр высокочастотной полки. Например, такая схема была предоставлена с помощью внутренних перемычек BSS в их кроссовере FDS-310 [34] и Rane в их кроссоверах AC 22S [35] и AC 23B [36] . Rane обеспечила больший контроль на передней панели двух полос пропускания («hi-mid» и «high») с помощью эквализации рупора CD, включая диапазон частот с изменяемой шириной на их кроссовере AC 24. [37] Дальнейшие усовершенствования процесса фильтрации доступны в кроссоверах на основе DSP .
Впервые опубликованная в декабре 2019 года в статье в журнале Voice Coil [38] , а затем на 148-м съезде AES [39] в июне 2020 года, Дарио Чинанни представил новое семейство духовых инструментов.
Алгоритм HCD, уже используемый в программном обеспечении SpeakerLAB Horn.ell.a [40] с 2006 года, преобразует любой рупор расширения (экспоненциальный, гиперболический синус, гиперболический косинус, катеноидальный, трактрисный, сферический или нового расширения) в рупор постоянной направленности.
HCD позволяет поддерживать ту же акустическую нагрузку исходного расширения. Алгоритм HCD уменьшает отражения по сравнению с рупором CD или в целом с многоплоскостным рупором, обеспечивая низкие искажения при высоких уровнях звукового давления.
Подобно радиальному рупору HCD предлагает постоянную направленность в одной плоскости, а именно прогрессивную постоянную направленность в плоскости вдоль большой оси устья рупора. Прогрессия зависит от выбранного соотношения устья. В то время как в плоскости вдоль малой оси устья мы будем иметь эквивалентный контур направленности круглого устья рупора (используя то же расширение).
В 1996 году Ральф Д. Хайнц из Renkus-Heinz получил патент на многоканальный рупор, который включал несколько драйверов для двух полос пропускания, высоких и средних, чьи звуковые волны выходили в один рупор, но на разных расстояниях в зависимости от полосы пропускания. Он был продан как рупор «CoEntrant». [41] Средне- и высокочастотные драйверы в линейке продуктов Renkus-Heinz ST/STX оба выходили через «сложный конический» волновод. [42] В конце 1990-х годов Томас Дж. «Том» Дэнли из Sound Physics Labs начал работать над трехканальным многоканальным рупором, выведя на рынок SPL-td1 в 2000 году. [43] В конструкции использовалось семь драйверов, с одним высокочастотным драйвером в горле рупора, четырьмя среднечастотными драйверами около горла и двумя низкочастотными драйверами, расположенными ближе к устью рупора. В 2001 году Том Дэнли начал разрабатывать рупор «Unity» для Yorkville Sound , запатентовав усовершенствование в 2002 году. [44] После выпуска в 2003 году линейки Unity от Yorkville, [45] Дэнли основал Danley Sound Labs и разработал значительное улучшение по сравнению с SPL-td1, названное рупором «Synergy», обеспечивающее существенно лучшую фазовую и амплитудную характеристику наряду с более плавной диаграммой направленности. Конструкция синергического рупора обеспечивала большую выходную мощность из меньшего корпуса громкоговорителя . [46] Поскольку конструкция сохраняет управление диаграммой направленности через свои области кроссовера и в большом диапазоне своей общей полосы пропускания, а также потому, что акустический центр конструкции находится вблизи задней части корпуса, ее легче объединять в массивы для приложений публичного оповещения. [47]
Термин «волновод» используется для описания рупоров с низкой акустической нагрузкой, таких как конические, квадратные, сплющенные сфероидальные или эллиптические цилиндрические рупоры. Они предназначены больше для управления диаграммой направленности, чем для повышения эффективности за счет улучшенной акустической нагрузки. Все рупоры имеют некоторый контроль диаграммы направленности, и все волноводы обеспечивают определенную степень акустической нагрузки, поэтому разница между волноводом и рупором является вопросом суждения. [48]
В 1999 году Чарли Хьюз из Peavey Electronics подал заявку на патент на гибридный рупор, который он назвал Quadratic-Throat Waveguide. [49] Рупор в основном имел простое коническое сечение, но его горло было изогнуто в виде дуги окружности, чтобы соответствовать желаемому размеру горла для надлежащего сопряжения с динамиком. Вместо того, чтобы увеличивать размер устья рупора с помощью раструба для управления излучением средних частот, было обнаружено, что относительно тонкий слой пены, покрывающий край устья, подходит для того же конца. Волновод QT, по сравнению с популярными рупорами CD, производил примерно на 3-4 дБ более низкие уровни искажения второй гармоники на всех частотах и в среднем на 9 дБ более низкие уровни более раздражающего искажения третьей гармоники. Не имея дифракционной щели, волновод QT был свободен от проблем с кажущейся вершиной, что делало его пригодным для использования в целях публичного оповещения. [2]
Конструкции рупоров сплющенного сфероидального волновода (OSWG) улучшают контроль диаграммы направленности выше 1 кГц, обеспечивают более низкую частоту направленности для лучшего соответствия среднечастотному динамику и, как утверждает изобретатель доктор Эрл Геддес, смягчают моды более высокого порядка, форму фазовых и амплитудных искажений. Практические ограничения длины рупора явно не рассматриваются теорией OSWG. [50]
Рупорные громкоговорители используются во многих аудиоприложениях. 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 драйвера; в некоторой степени они могут быть разработаны без необходимости в кроссовере .
Рупорные громкоговорители также могут использоваться для обеспечения очень высоких уровней звукового давления, необходимых для звукоусиления и публичных выступлений, хотя в этих приложениях с высоким звуковым давлением высокая точность иногда идет на компромисс ради необходимой эффективности, а также для контролируемых характеристик дисперсии, которые обычно требуются в большинстве помещений большого объема. «Фокусировка Ганнесса», новый метод противодействия некоторым искажениям рупора, особенно во временной области, был впервые предложен Дэйвом Ганнессом, когда он работал в Eastern Acoustic Works (EAW). Рупорные громкоговорители EAW, обработанные с помощью этой запатентованной системы, демонстрируют снижение искажений компрессионной диафрагмы драйвера/ фазовой вилки , сохраняя при этом высокую выходную мощность и контролируемую дисперсию. [51] [52] [53] [54] [55]
Концертные площадки часто используют большие массивы рупорных громкоговорителей для воспроизведения басов высокой громкости («басовые бункеры» или сабвуферы ), чтобы обеспечить бас, который посетители концертов 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 устья: срез низких частот простирается ниже по мере увеличения устья рупора, и массив имеет большую выходную мощность нескольких драйверов.
В коммерческих кинотеатрах часто используются рупорные громкоговорители для управления диаграммой направленности и повышения чувствительности, необходимой для заполнения большого помещения.
В бытовой аудиотехнике используются рупорные громкоговорители для контролируемой направленности (чтобы ограничить отражение звука от поверхностей помещения, таких как стены, пол и потолок) и для большей чувствительности динамиков .
Рупорные громкоговорители могут обеспечивать очень высокую эффективность, что делает их хорошими партнерами для очень маломощных усилителей , таких как однотактные триодные усилители или другие ламповые усилители. После Второй мировой войны некоторые ранние поклонники hi-fi зашли так далеко, что построили низкочастотные рупоры, чьи устья занимали большую часть стены комнаты для прослушивания. Горлышки иногда находились снаружи на лужайке или в подвале. С приходом стерео в 1960-х годах такой подход встречался редко. Многие покупатели громкоговорителей и любители самодельных громкоговорителей искали меньшие конструкции по эстетическим причинам.
Некоторые аудиофилы используют рупорные громкоговорители для воспроизведения звука, в то время как другие избегают рупорных систем из-за их гармонических резонансов, находя в них неприятную форму искажения . Поскольку существует множество конструкций рупоров (разной длины, материала и конусности), а также различных драйверов, в некоторой степени невозможно дать такие общие характеристики рупорным громкоговорителям. Аудиофилы, использующие маломощные усилители, иногда в диапазоне от 5 до 25 Вт, могут найти высокую эффективность рупорных громкоговорителей особенно привлекательной особенностью. И наоборот, высокая чувствительность также может заметно ухудшить любой фоновый шум, присутствующий на выходах усилителя.
Звуковые дорожки фильмов имеют большой динамический диапазон , где пиковые уровни на 20 дБ больше средних уровней. Высокая чувствительность рупорных громкоговорителей помогает достичь уровня звука кинотеатра в месте прослушивания с типичными ~100 Вт на канал приемниками/усилителями, используемыми в домашних кинотеатрах . [56]