Рупорный громкоговоритель

Рупорный громкоговоритель — это устройство для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические волны, в котором для согласования высокого акустического сопротивления излучателя (обычно электродинамической головки) с низким сопротивлением окружающей среды используется рупор — специальным образом профилированная труба переменного сечения. Основное назначение рупора — повышение эффективности излучения звука, особенно в области низких и средних частот, и формирование направленной диаграммы направленности.

История

Первые упоминания о применении рупоров для усиления звука относятся к античности. В Древней Греции и Риме актёры театров использовали металлические маски с раструбами, которые служили простейшими акустическими резонаторами и усилителями голоса. Однако систематическое изучение акустики рупоров началось в XIX веке.

В 1877 году американский изобретатель Томас Эдисон создал фонограф, в котором для воспроизведения звука использовался металлический рупор. В 1880-х годах Александр Грейам Белл и его сотрудники разработали первые рупорные громкоговорители для телефонных аппаратов, которые могли транслировать речь на расстояние до нескольких сотен метров.

Значительный прогресс в развитии рупорных громкоговорителей произошёл в 1920-х годах, когда были созданы первые мощные системы звукоусиления для кинотеатров и стадионов. В 1925 году компания Bell Labs представила рупорный громкоговоритель с электродинамическим излучателем, который стал основой для многих последующих конструкций. В 1930-х годах началось массовое производство рупорных громкоговорителей для промышленного и бытового использования.

В СССР рупорные громкоговорители активно применялись в системе проводного вещания (радиоточки) с 1930-х годов. Наиболее известная модель — «Рекорд» (выпускалась с 1936 года). В 1950-х годах появились уличные рупорные громкоговорители для оповещения населения, которые использовались вплоть до 1990-х годов.

Принцип действия

Основой работы рупорного громкоговорителя является акустическое трансформирование. Электродинамическая головка (динамик) создаёт звуковые колебания, которые поступают в горло рупора — узкую часть. По мере распространения по рупору звуковая волна проходит через расширяющееся сечение, что приводит к изменению её акустического сопротивления.

Ключевое физическое явление: в узкой части рупора (горле) звуковое давление высокое, а скорость колебаний частиц воздуха мала. В широкой части (раструбе) — наоборот, давление падает, а скорость возрастает. Рупор выполняет роль акустического трансформатора, согласуя высокое сопротивление излучателя (которое в обычных условиях привело бы к отражению большей части энергии обратно в динамик) с низким сопротивлением свободного пространства. Это позволяет передавать в окружающую среду значительно большую акустическую мощность, чем при использовании того же динамика без рупора.

Классификация

Рупорные громкоговорители классифицируются по нескольким признакам.

По форме профиля рупора

• Экспоненциальные — рупор, у которого площадь поперечного сечения увеличивается по экспоненциальному закону. Обеспечивают наилучшее согласование в широком диапазоне частот.
• Коноидальные — рупор с коническим расширением. Проще в изготовлении, но имеют более узкую полосу пропускания.
• Гибридные (например, трактойдные) — сочетают элементы разных профилей для оптимизации характеристик.

По типу излучателя

• Электродинамические — наиболее распространённый тип, использующий катушку в магнитном поле.
• Пьезоэлектрические — используют пьезокерамические элементы, не требуют внешнего усилителя, но имеют меньшую мощность и худшее качество звука.
• Электростатические — применяются в высококачественных акустических системах, но редко в рупорных конструкциях из-за сложности.

По назначению

• Уличные (сирены, оповещатели) — для трансляции речевых сообщений и сигналов тревоги на открытых пространствах.
• Студийные (мониторные) — для контроля звука в студиях звукозаписи.
• Концертные — для мощного звукоусиления на больших площадках.
• Бытовые — для домашних аудиосистем (часто в составе Hi-Fi и High-End аппаратуры).

Устройство и характеристики

Типичный рупорный громкоговоритель состоит из следующих основных элементов:

1. Электродинамическая головка — преобразует электрический сигнал в механические колебания мембраны.
2. Камера предрупорная — объём между мембраной и горлом рупора, который обеспечивает дополнительное согласование.
3. Рупор — профилированная труба, которая может быть изготовлена из металла, пластика или дерева.
4. Раструб — выходное отверстие рупора, определяющее диаграмму направленности.

Основные характеристики

• Чувствительность — измеряется в децибелах (дБ/Вт·м). У рупорных громкоговорителей чувствительность может достигать 110–120 дБ/Вт·м, что в 10–100 раз выше, чем у обычных динамиков (85–95 дБ/Вт·м).
• Диапазон частот — обычно ограничен: для низкочастотных рупоров — от 30–50 Гц до 500–800 Гц; для высокочастотных — от 1–2 кГц до 20 кГц.
• Направленность — угол раскрытия рупора определяет ширину диаграммы направленности. Узкие рупоры (20–40°) обеспечивают точечное излучение, широкие (60–120°) — равномерное покрытие большой площади.
• Мощность — от нескольких ватт (бытовые модели) до нескольких киловатт (концертные системы).

Применение

Рупорные громкоговорители находят применение в различных областях:

Системы оповещения и трансляции

• Уличные громкоговорители — для оповещения населения о чрезвычайных ситуациях, трансляции рекламы и объявлений на вокзалах, в аэропортах, на стадионах.
• Промышленные системы — для подачи сигналов тревоги на заводах, шахтах, нефтеперерабатывающих предприятиях.
• Транспорт — на железнодорожных платформах, в метро, на автобусных остановках.

Звукоусиление

• Концертная акустика — рупорные системы используются для создания мощного и направленного звука на больших сценах и стадионах.
• Кинотеатры — для воспроизведения звуковых эффектов с высокой динамикой.
• Студийная техника — в качестве мониторов для контроля звука.

Специальное применение

• Акустические системы для автомобилей — в составе громкоговорителей для экстренного оповещения (например, «сирена»).
• Военная техника — для передачи команд на поле боя, в системах оповещения на кораблях и самолётах.
• Научные исследования — в акустике для изучения распространения звука, в гидроакустике (подводные рупорные излучатели).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая чувствительность — позволяет получать большую громкость при малой мощности усилителя.
• Высокая эффективность — до 30–40% электрической мощности преобразуется в акустическую (у обычных динамиков — 1–5%).
• Направленность — возможность точного управления звуковым полем.
• Долговечность — рупорные конструкции менее подвержены механическим повреждениям, чем открытые динамики.

Недостатки

• Ограниченный частотный диапазон — один рупор редко перекрывает весь слышимый спектр, требуются многополосные системы.
• Искажения — из-за нелинейных эффектов в рупоре (особенно на низких частотах) возможны искажения звука.
• Габариты — для воспроизведения низких частот требуются рупоры большой длины (до нескольких метров).
• Сложность изготовления — точный профиль рупора требует высокой точности обработки.

Интересные факты

• Самый большой рупорный громкоговоритель в мире был построен в 1930-х годах для системы оповещения в Лондоне. Его длина составляла около 12 метров, а диаметр раструба — 4 метра.
• В СССР рупорные громкоговорители использовались в системе «Говорящий город» — для трансляции речевых сообщений на улицах крупных городов в 1950–1960-х годах.
• В современной Hi-Fi технике рупорные громкоговорители считаются одними из лучших по качеству звука, особенно в области средних и высоких частот, благодаря минимальной компрессии звука.

Источники

• Алдошина И. А., Приттс Р. «Электроакустика и звуковое вещание». — М.: Горячая линия – Телеком, 2007.
• Ковалгин Ю. А. «Акустика и звукоусиление». — М.: Радио и связь, 1985.
• Бобров А. В. «Рупорные громкоговорители: теория и практика». — СПб.: Политехника, 2003.
• Энциклопедический словарь «Акустика». — М.: Большая российская энциклопедия, 1998.