При демонстрации стереофонической передачи музыки в имперском министерстве народного просвещения и пропаганды директором речевого вещания Хербертом Домиником сообщили о выпуске 10/12 1943 года нового вида динамика для использования в полном частотном диапазоне. Эти громкоговорители к ближайшему времени имеютсятолько в виде образцов на заводе, так как их производство во время войны не представляется возможным. Для более полного знакомства с этим фундаментальным достижением в разработке акустических систем приводится эта статья.
Совершенствование микрофонов и усилителей в последние годы привели к значительным успехам в повышении качества воспроизведения до того показателя, который ограничивается только несовершенством громкоговорителей. Даже если мы подразумеваем беспроводную трансляцию, включающую в себя передатчик и приемник, громкоговоритель является самым слабым звеном цепи передачи на сегодняшний день. Верность воспроизведения звука громкоговорителем отстает, по меньшей мере, на один порядок. Поэтому необходимо было бы использовать очень энергичную и целенаправленную работу по улучшению громкоговорителей. Ни в коем случае нельзя прийти к выводу, что дальнейшее качественное улучшение или даже поддержание нынешнего качества отдельных узлов канала передачи является экономически неоправданным из-за того, что это высокое качество не будет услышано вследствие несовершенства динамиков. Следует также понимать, что при таких обстоятельствах развитие динамика осуществляется в месте, в котором имеется наибольший возможный интерес к коммерческой эксплуатации средств передачи, а именно заключающего звена в области вещания. В своих лабораториях широкополосных динамиков инженер Ханс Экмиллер постигнул то, что представляет собой предмет разработки фундаментального прогресса, то, что позволяет изготовить громкоговоритель более чем на порядок лучше, чем раньше.
Любой, кто занимается воспроизведением высококачественных устройств, будь то с проигрыванием граммофона, воспроизведением записи магнитофона, или приемом высокой полосы пропускания, знает, что для естественного воспроизведения требуется высокочастотный динамик. Он также знает о больших трудностях, которые возникают из-за использования нескольких громкоговорителей. Трудности заключаются в беспорядочности расположения осей излучения, которые в конечном итоге становились настолько большими, что порою приходилось отказываться от высокочастотного спикера. В дополнение к этому, чтобы получить впечатление естественности, не только необходима реализация увеличения полосы верхних частот, но и частотыниже 100 Гц требуют также существенного расширения. При этом совсем не обязательно устанавливать два излучателя, а то и три, что иногда действительно происходит. Да, вы не думайте, что три громкоговорителя достаточно, полагаю двигаться дальше - к пяти. Так был построен самый большой когда-либо разработанный музыкальный проигрыватель с пятью громкоговорителями. Разработчику этого устройства, вероятно, также было известно, что установка из пяти динамиков никчемная, что это не более чем признание непригодности традиционных динамиков. Проигрыватель был бы, конечно, гораздо лучше, если бы мог иметь удовлетворительное качество воспроизведения с помощью только одного динамика.
Новый широкополосный громкоговоритель (рис. 1) включает в себя два звуковых блока, вуфера (Tiefton) и твитера (Hochtonteil). Он характеризуется тем, что низкочастотная и высокочастотная части концентрично взаимосвязаны, причем точки атаки их звуковых катушек расположены на мембранах в одной плоскости. Громкоговоритель имеет только одну магнитную систему, в воздушном зазоре которого, концентрично (с общим центром) друг другу расположены две звуковые катушки. Внутренняя звуковая катушка приводит в действии диафрагму для излучения сигнала высокой частоты (Hochtonmembran), внешняя звуковая катушка приводит в действие диафрагму для излучения сигнала низкой частоты (Tieftonmembran). Последняя является конусом с изогнутой поверхностью, подобно известной мембраны Нави*. Высокочастотный диффузор представляет собой сферический колпачок из легкого металла. Подключение звуковых катушек к усилителю осуществляется через фильтр таким образом, что частоты подаются на низкочастотную составляющую ниже 2000 Гц, а на высокочастотную часть - выше 2000 Гц. Это вынуждает слишком задумываться о сложных электроакустических процессах в этом громкоговорителе. Но пускай оно будет резервом для научных работ. Ми же здесь попытаемся объяснить как работает новый громкоговоритель и, следовательно, основное превосходство нового громкоговорителя.
Примечание.
*Нави мембрана: Nichtabwickelbare мембрана (сокр. Nawi-Membran). Особый вид акустических диафрагм с криволинейной образующей, что позволяет избежать выброса гармонических искажений и тем самым обеспечивает верное воспроизведение всего диапазона [2].
Рис. 1. Двухсторонний коаксиальный громкоговоритель O15 (System Eckmiller), выпущенный в 1943 году компанией Konski & Krüger, Berlin N4
Рис. 2. Нави-мембрана
Наиболее поразительно сказать, что широкополосный громкоговоритель работает в частотном диапазоне ниже 2000 Гц в качестве громкоговорителя большой площади, выше этого - как громкоговоритель воронки, в последнем случае изогнутая диафрагма большей площади представляет собой воронку. Две осциллирующие катушки, которые колеблются полностью независимо друг от друга, а также независимо работающие диафрагмы имеют такие размеры, что эффективность соответствующей части громкоговорителя быстро падает за пределами перекрывающихся частот, которые находятся около 2000 Гц, без требуемых усилий. Разделение слышимого частотного диапазона между двумя отдельными системами привода диафрагм имеет то преимущество, что каждая секция громкоговорителя может быть оптимально рассчитана для своего частотного диапазона. Таким образом, басовая диафрагма производится из очень мягкой мембранной войлочной бумаги (рис. 3). Поскольку, как чистый поршень он колеблется только до частоты, примерно, 300 Гц. Выше этой частоты на диффузоре формируется волновая картина распределения амплитуд и фаз с радиальными узловыми линиями, являющимися неприятными флуктуациями громкоговорителей. С высокой степенью улучшение качества достигается применением подходящей мембраны, обладающей повышенными внутренними потерями колебательной энергии при его деформации. С другой стороны, материал мембраны по-прежнему имеет относительно высокую внутреннюю скорость распространения звука, несмотря на его высокие "внутренние трения". Это необходимо для точного воспроизведения очень быстрых изменений энергии, например переходных явлений в речи и сложных звуках. По тем же причинам высокочастотная диафрагма из молибдена обладает очень высокой скоростью колебаний – до 10000 Гц в поршневом режиме. Поэтому, очень быстрые переходные процессы в речи воспроизводятся совершенно естественным образом. Требуется, чтобы мембрана громкоговорителя была как минимум в десять раз быстрее, чем самые быстрые изменения энергии передаваемой колебательной системой. Таким образом, громкоговоритель решает проблему визуализации нажатий клавиш, которые чрезвычайно трудно воспроизвести совершенно идеально, и сложный шум, создаваемый медленным разрывом бумажной полосы, каковой, вероятно, является самым сложным испытанием для системы передачи удовлетворительного воспроизведения. В то время как в другом обычном громкоговорителе, а именно в предшествующем устройстве, такого распознавания не наблюдается вообще.
Рис. 3. Бумажно-войлочный диффузор
На оси громкоговорителя в непосредственной близости от высокочастотной диафрагмы расположен пластиковый акустический компенсатор (рупор) – рис. 4. Это очень важная часть широкополосного громкоговорителя, обеспечивающая наилучшую характеристику направленности даже самых высоких частот, в обычных же громкоговорителях наблюдается выраженная направленность, особенно высоких частот. Он, также, предназначен для предотвращения перекрестной модуляции внутри громкоговорителя, т. е. что бы исключить влияние басовой диафрагмы на формирование звука, одновременно излучаемого, высокочастотной частью. И, наконец, предотвращает возникновению искажений, которые могут быть сформированы помехами в высокочастотном диапазоне.
Рис. 4. Акустический компенсатор (рупор)
Читатель уже уясняет, что новый широкополосный громкоговоритель, обладающий выдающимися характеристиками и единым гениальным принципом - концентрической сборкой баса и высокочастотной части как таковой - следствие огромного кропотливого труда. Ведь проблемы имеются во всех акустических системах, но что же нужно было сделать, чтобы достичь такого значительного улучшения. Тем не менее, в нашем докладе были рассмотрены только самые важные и самые яркие инновации. Как далеко продвинулась работа в этом плане, объясняется еще несколькими показателями.
Таким образом, в обычных динамических громкоговорителях весьма неприятно то, что самые глубокие колебания диафрагмы становятся заметны, особенно при воспроизведении речи на частоте, совпадающей с резонансной частотой головки динамической. В конструкции широкополосного громкоговорителя задняя сторона басовой диафрагмы по окружности плотно закрыта диффузородержателем особой конфигурации (рис. 5), имеющего распределенную равномерно перфорацию, что создает значительное затухание из-за сквозных отверстий, сопротивляющихся прохождению возбуждаемого диффузором воздуха, особенно при резонансных колебаниях. Но этого недостаточно. Центрирующая шайба (паук) вуфера был также оснащен индивидуальными масляными амортизаторами, которые также обеспечивают затухание колебаний басовой диафрагмы на частоте основного резонанса. В полости между НЧ мембраной и диффузородержателем встроена разделительная катушка индуктивности – рис. 6.
Рис. 5. Диффузородержатель с перфорацией (ПАС)
Рис. 6. Контактная площадка с встроенной катушкой индуктивности
Еще одна нехорошая особенность известных громкоговорителей заключается в том, что импеданс в значительной степени зависит от частоты, так что в трех- и пятиполюсных лампах создаются совершенно разные согласующие сопротивления. С новым громкоговорителем полагаемый импеданс (рис. 6) можно линеаризовать до такой степени, чтобы не происходило изменения окраса звука, независимо от того, работает ли громкоговоритель на трехполюсной лампе или на пятиполюсной, громкость может регулироваться чисто омическим сопротивлением, включенным последовательно с громкоговорителем. Реальное сопротивление на частотах от 70 до 10000 Гц при постоянном измерении находится в приделах отклонений не более + 15 %.
Рис. 7. Зависимость модуля полного сопротивления от частоты
Практическая демонстрация самых разнообразных характеристик впечатляюще показала значительное улучшение электроакустического воспроизведения, которое может быть достигнуто благодаря новому громкоговорителю. Расширение диапазона частот вниз и вверх (рис. 8), полное устранение неблагоприятных переходных явлений, достижение пространственного чрезвычайно благоприятного звукового излучения, привело к такому значительному увеличению качества звуковоспроизведения, что громкоговоритель обычного технического уровня считается как посредственный, если вообще как неудовлетворительный. Преимущества нового широкополосного громкоговорителя впечатляют стереофонической передачей. Благодаря новымтехническим решениям, громкоговоритель, наконец, стал равным микрофонам и усилителям, и теперь стоит далее продолжать разработки этих частей цепи передачи.
Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика звукового давления
Технические характеристики
двухстороннего коаксиального динамика O15 (SystemEckmiller), выпущенного в 1943 году компанией Konski&Krüger, Berlin N4
Серийный номер – 409.
Общий диаметр – 29,5 см.
Высота – 14,6 см.
Общий вес – 5,1 кг.
Вуфер – диаметр 25,5 см, войлочно-бумажный конус, центрирующая шайба с масляными амортизаторами.
Твитер – высокочастотный динамик с волновым управлением, ок. 5 см.
Диаметр постоянного магнита – 12 см.
Импеданс – 12,5 Ом ± 15% (от 70-10000 Гц).
Результаты измерения по постоянному току: вуфер – 9,8 Ом; твитер – 11,4 Ом.
Частота основного резонанса (заявленная производителем) – 45 Гц (измеренная – 65 Гц).
Мощность – макс. 10 Вт.
Кроссовер – встроенная катушка индуктивности с сердечником (0,63 мГн), два внешних конденсатора (2 мкФ и 6 мкФ) – рис. 9.
Предназначение – O15 были использованы немецким "Reichsrundfunkgesellschaft" RRG для мониторинга первых стереофонических магнитных магнитофонных записей в мире в 1943/44 годах!
Рис. 9. Схема подключения динамика O15 к источнику сигнала
Источники.
1. http://www.klangfilm.org
2. http://www.medienstimmen.de
Автор: В. Марченко, г. Умань, Украина