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%.

Автор статьи - мой коллега.