Звук представляет собой волны, распространяющиеся в воздушной среде, то есть колебания давления воздуха. Как известно, единица измерения давления – паскаль, в этих единицах и измеряется звуковое давление, соответствующее амплитуде звуковой волны. Звуковые волны переносят энергию и могут характеризоваться плотностью потока мощности (то есть энергией, переносимой звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения) в единицу времени. Как же связать все эти величины? Ответ можно найти, покопавшись в старинных справочниках и журналах и переведя внесистемные единицы в систему СИ.
Результаты сведены в табл. 3.1:
Таблица 3.1 Громкость, звуковое давление и поток мощности
Громкость, дБ | Характеристика звука | Звуковое давление, Па | Плотность потока мощности, мкВт/м2 |
---|---|---|---|
0 | Порог слышимости | 2×10-5 | 10-6 |
10 | Тихий шепот на расстоянии 1 м | 6,4×10-5 | 10-5 |
20 | Шелест листвы | 2×10-4 | 10-4 |
30 | Шепот на расстоянии 1 м | 6,4×10-4 | 0,001 |
40 | Тихий разговор на расстоянии 1 м | 0,002 | 0,01 |
50 | Слабая работа громкоговорителя | 0,0064 | 0,1 |
60 | Обычный разговор на расстоянии 1 м | 0,02 | 1 |
70 | Громкая работа громкоговорителя | 0,064 | 10 |
Таблица составлена по данным справочника Г. Г. Гинкина для хорошо слышимой ухом частоты 1000 Гц. Заметим, что увеличение громкости на каждые 10 дБ (одинаковое субъективное увеличение) вызывается увеличением потока мощности в 10 раз, поэтому при больших громкостях требуемая мощность растет очень быстро.
Если принять расстояние до громкоговорителя равным 1 м, как обычно и делается при акустических измерениях, и предположить, что излучение ненаправленное, можно вычислить и акустическую мощность, излучаемую громкоговорителем, просто умножив плотность потока мощности на площадь сферы радиусом 1 м (вспомните, что точно так же рассчитывался поток мощности для радиоволн). Для трех последних случаев, приведенных в таблице и представляющих для нас практический интерес, излучаемая акустическая мощность составит 1,26, 12,6 и 126 мкВт соответственно.
Необходимую электрическую мощность можно найти, разделив акустическую мощность на КПД громкоговорителя. Здесь начинаются слезы! Для обычных бытовых динамиков малой мощности он составляет, по порядку величины, около 1%. Тогда получаем электрическую мощность порядка единиц милливатт. Электромагнитные громкоговорители (конструкция которых напоминает устройство телефона), широко распространенные в ранние годы, теперь вышли из употребления из-за плохих характеристик и заменены головками электродинамической системы с постоянными магнитами. Их отдача прямо зависит от магнитной индукции в зазоре, где размещена звуковая катушка. Большую отдачу имеют головки с малым зазором и сильным магнитом.
В справочных данных на динамические головки часто указывается среднее стандартное звуковое давление (отдача). Оно измеряется на расстоянии 1 м при подведении электрической мощности 100 мВт и колеблется, для большинства типов громкоговорителей, в пределах от 0,1 до 0,4 Па. Имеются сообщения о головках, отдающих до 0,6 Па. Любопытно сосчитать, какая электрическая мощность нужна при этом для получения громкости 60 дБ. Результаты приведены в табл. 3.2.
Наглядно видно даже по этой небольшой подборке, что для наших целей нужны громкоговорители с большой отдачей, что у мощных динамиков отдача больше, а менее всего подходят малогабаритные динамики от карманных и портативных приемников. Огромное влияние на отдачу оказывает акустическое оформление динамика.
Таблица 3.2 Отдача широко распространенных громкоговорителей
Тип громкоговорителя | Отдача, Па | Требуемая мощность сигнала ЗЧ для громкости 60 дБ, мВт |
---|---|---|
0.025ГД-2 | 0,075 | 3,6 |
0.05ГД-1 | 0,15 | 1,8 |
1ГД-5, 1ГД-28, 1ГД-36, 2ГД-7 | 0,2 | 1,0 |
1ГД-4, ЗГД-1.4ГД-4, 4ГД-5 | 0,3 | 0,45 |
5ГД-1.6ГД-1 РРЗ, 6ГД-3 | 0,4 | 0,25 |
8ГД-1 РРЗ | 0,45 | 0,2 |
Высококачественные акустические системы с обилием поглощающего материала имеют отдачу от 0,08 Па (25АС16, 25АС416) до 0,11 Па (35АС2), следовательно, малопригодны.
Для импортных акустических систем часто указывают чувствительность – уровень громкости на расстоянии 1 м при подведении электрической мощности в 1 Вт. Она обычно колеблется от 87 до 92 дБ. Если мы на сколько-то децибел снизим громкость, то на столько же децибел уменьшится и требуемая электрическая мощность. Очень легко сосчитать, что для получения нужной нам громкости 60 дБ требуемая мощность сигнала 34 должна составить на 27-32 дБ меньше, то есть от 2 мВт до 0,63 мВт.
Больший КПД и соответственно раза в три большую отдачу имеют рупорные громкоговорители, во-первых, за счет лучшего согласования электромеханической системы со средой и, во-вторых, за счет некоторой направленности излучения. Это подтверждает и радиолюбительский опыт, начиная с 20-х гг., когда в журналах было немало сообщений о том, что наушник, помещенный в стакан или на дно кастрюльки, звучит громче, и описаний всевозможных рупоров из бумаги, картона и фанеры, до наших дней, когда (весьма редко) еще появляются описания очень удачных конструкций АС с большой отдачей.
Рупорная акустическая система с фазоинвертором, свернутым в «подкову», по утверждению изобретателей и разработчиков, обеспечила с громкоговорителем 6ГД-1 КПД около 2,3%, а на низких частотах даже до 3,4%. Поскольку для получения громкости 60 дБ надо излучать 12,6 мкВт акустической мощности, эта система потребует для своей работы с такой громкостью 12,6 / 3,4% = 0,56 мВт. Думается, что авторы несколько занизили КПД своей АС, поскольку головка 6ГД-1 при стандартных акустических измерениях на большом экране требует несколько меньшей мощности и, следовательно, обладает большим КПД.
Итак, мы установили, что с высокочувствительной АС, например с восьми ваттным динамиком Рижского радиозавода 8ГД-1 РРЗ в корпусе большого объема, нам достаточно мощности сигнала ЗЧ около 0,2 мВт, а с плохой, например с маленьким динамиком от карманного приемника в пластмассовой коробочке, и 3 мВт будет недостаточно. Согласитесь, разница существенная.