Вопрос 1: Как рассчитать звуковое давление, создаваемое настенным громкоговорителем GO-01/T-3 на расстоянии 2,5 м от него?

Ответ: Падение уровня звукового давления громкоговорителя составит на таком расстоянии

Уровень звукового давления на расстоянии 1м при мощности 1 Вт у «GO-01» составляет 90 дБ (характеристическая чувствительность по паспорту). Значит, на расстоянии 2,5 м уровень давления составит 90 – 8 = 82 (дБ).

Однако, номинальная мощность громкоговорителя 3 Вт, а не 1 Вт, следовательно прибавка в давлении составит

Таким образом уровень давления, создаваемый громкоговорителем GO-01 по акустической оси на расстоянии 2,5 м при подаче на него мощности 3 Вт в свободном пространстве (т.е. без учета свойств помещения) составляет

Вопрос 2: На каком расстоянии друг от друга следует устанавливать настенные громкоговорители «GO-01» если задано их расположение на одной боковой стене на высоте 4м от пола, а расстояние до противоположной стены 6м?

Ответ:
1. Если предполагается трансляция фоновой музыки, то в общем случае для создания эффекта «пространственности», «фоновости» можно использовать простое соотношение шаг цепочки настенных громкоговорителей равен высоте их подвеса.

Приблизительно при таком соотношении фронт волны на средних частотах становится единым (не прерывистым) даже для тех, кто находится непосредственно под громкоговорителями.

Для потолочных громкоговорителей шаг решетки потолочных громкоговорителей равен высоте потолка.

Нужно оговорить, что при выполнении этого соотношения неравномерность давления во фронтальной полусфере громкоговорителей не превышает 0,5 дБ. Такая хорошая неравномерность не всегда бывает нужна. В супермаркетах, например, где внимание людей занято отнюдь не прослушиванием музыки, а общий уровень шума составляет 50… 65 дБ можно задаться неравномерностью и 3 дБ.

Рассчитаем для такой неравномерности шаг цепочки громкоговорителей.

Наименьшее звуковое давление будет у противоположной стены, где затухание прямого звука составит

Где r = корень из (6 ²  + H ²) - расстояние от излучателя до наиболее удаленной точки. H = 2,5 м - высота подвеса 4м за вычетом 1,5м (1,5 м - условный уровень, учитывающий рост среднего человека). Таким образом,

Неравномерность по ширине помещения (разница в давлении на расстояниях r и H от излучателя) составит

Если материал стен штукатурка, гипсоволокно, ДСП, или другой, диффузный коэффициент поглощения которого  меньше 0,25, то  К = 3, если материал стен  ткань, а половое покрытие мягкое,  то К = 0. Если  расстояние до противоположной стены более 8 м, то также К = 0. Предположим,  что противоположная стена – крашеный   гипсокартон.  Тогда :

Неравномерность в продольном направлении (вдоль цепочки)  согласно [ 3 ]  составит

Если принять неравномерность давления Lп = 3 дБ, то, учитывая, что тангенс th = 1 / cth  по таблицам [ 1 ] получаем:  D = 8,6 м.

2. Если музыкальная трансляция не предполагается, а громкоговорители используются только для оповещения, то главным условием становится  обеспечение  такого уровня  давления, который был бы заведомо больше уровня шумов в помещении. Причем, для улучшения  разборчивости необходимо  принять меры к тому, чтобы как можно больше увеличить зоны, где  прямой звук преобладает над  диффузным.

   В данном случае высота подвеса большая (4 м), поэтому можно задать угол подвеса таким образом, чтобы акустические  оси громкоговорителей были направлены  на нижнюю часть противоположной стены. При этом  уровень давления в наиболее  удаленной  точке составит для  «GO – 01» :

    Во фронтальной полусфере  диаграмма направленности «GO-01» имеет форму полуэллипсоида вращения. Т.к. динамик в громкоговорителе используется один, то вертикальный и горизонтальный эксцентриситеты этого полуэллипсоида  равны между собой  на всех углах и частотах . Измерения диаграммы направленности «GO-01» измерителем «ВШВ – 003» в комплекте с предусилителем «ПМ – 3»  показало, что взвешенное значение эксцентриситетов ( для речевого спектра) близко к  0,1, т.е. излучение имеет слабую направленность. Пересечение полуэллипсоида с плоскостью, параллельной плоскости пола, лежащей на высоте 1,5 м от него,  дает эллипс с малой осью    а   и   большой осью  b. В пределах этого эллипса  давление изменяется от   Lmax   в центре  до  Lmin к краям. Найдем    Lmin . Предположим, что допустимый  уровень  шумов  в помещении 60 дБ (супермаркет). Тогда в соответствии с  НПБ 104 – 03  п.3.15,  который требует превышения уровня сигнала над уровнем шумов 15 дБ *, получаем : 

Расстояние от громкоговорителя, на котором давление составит 75 дБ

Точка с максимальным давлением удалена от точки с минимальным  давлением  на величину  а (малая ось эллипса). Но расстояние  а  является и  катетом треугольника, образованного  R=13,6 (гипотенуза) и  r =6,5 (другой катет). Из этого прямоугольного треугольника по теореме Пифагора ( R² = r² + a² ) находим :

и с учетом эксцентриситета диаграммы направленности на частотах 0,7…2 кГц, на которые приходится основная энергетика речевого   сигнала  :

Таким образом, чтобы совместить эллипсы озвучивания громкоговорителей, необходимо вешать их с шагом  D = 2 a = 22м.   С учетом допущений, которые были сделаны, есть смысл ввести запас и располагать GO -01 на расстоянии  D = 20 м  друг от друга.  

 ( По нормам  НПБ 77-98  давление  1Вт/м  у громкоговорителя должно быть от 70 до 110 дБ.  В нашем случае по ТУ на GO-01,02  90дБ. Удовлетворяет. По АЧХ – запас почти 3-х кратный .) 

По Цвикеру и Фельдкеллеру  [ 2 ] превышение 20 дБ над шумами с пик-фактором 6 дБ делает сообщение разборчивым для 98 % слушателей по слоговой разборчивости.  Норма 15дБ гарантированно перекрывает  пик-фактор речевого сигнала, который составляет 12 дБ, однако является  завышенной, т.к. 1.сигнал часто бывает сжат по известным соображениям на несколько дБ, 2. словесная разборчивость  выше, чем слоговая в среднем на 6 дБ   

Вопрос 3: Какую площадь можно озвучить одним громкоговорителем « GO – 01» с учетом норм НПБ?

Ответ:    

 Здесь:

Если материал стен штукатурка, гипсоволокно,  ДСП, или др.,  диффузные коэффициенты поглощений которых меньше 0,25,                 то   К = 3, если материал стен  ткань,  половое покрытие мягкое,  то К = 0. Если  расстояние до противоположной стены более 8 м,  то   также   К = 0.

Вывод формулы S см. ниже.    

В таблице представлены результаты расчета площади озвучивания в  м²  в зависимости от допустимого шума в помещении и от материала отражающих  поверхностей.  При этом сделаны следующие допущения:

1. помещение лишено обстановки,

2. расчет сделан по статистической теории для усредненных климатических условий,

3. Высота потолков 4…5 м, уровень подвеса громкоговорителя  2,3…3,5 м, 4.

4. Полученные цифры справедливы только для громкоговорителей «GO – 01» и  «GO – 02» вариант 3 Вт.

Вопрос 4: В помещении заменены все громкоговорители на другие с чувствительностью на 2 дБ меньшей, чем была. Требуется ли замена усилителя?

Ответ:    Чтобы уровень давления в помещении остался неизменным мощность усилителя придется увеличить в 1,6 раза, т. к.

Вопрос 5: В помещении установлены 30 шт 100 – вольтовых громкоговорителей по 3 Вт каждый. Но в большой громкости нет необходимости. Можно ли использовать в комплекте с ними 35 – ваттный усилитель Inter – M  «РА – 935», а необходимую мощность выставить регулятором громкости усилителя?

Ответ:    Нельзя. 

     Суммарное сопротивление нагрузки усилителя составит  Rн = ( Rг / 30 )  = 3300 / 30 = 110 Ом,

где Rг = 3300 Ом – сопротивление одного громкоговорителя.

Формально в разделе «Specification» на “PA – 935”  дано 35 W; 285 Ohm/100V, причем  минимально допустимое сопротивление нагрузки отсутствует. Это связано с тем, что при уменьшении Rн  максимальная отдаваемая усилителем мощность не растет, а уменьшается (из-за резисторов 0,47 Ом в эмиттерах выходных транзисторов). Само по себе уменьшение мощности в нашем случае не так важно. Однако, оценим режим работы выходного каскада усилителя при нагрузке 110 Ом. 

В том же  разделе «Specification»  дано 4Ohm/11,8V. Из схемы видно, что при этом  коэффициент трансформации выходного трансформатора близок к единице. Т. е. через  выходные  транзисторы  течет ток, амплитудное значение которого    1,4 (11,8 / 4) = 4,2 А, а среднеквадратическое значение  в  Пи  раз меньше, а именно    4,2 / 3,14 = 1,34 А. При этом, на  эмиттерном  резисторе рассеивается  1,34² 0,47 = 0,84Вт.  Однако,  при уменьшении нагрузки в 285 / 110 = 2,6  раза амплитудное  значение тока  также увеличится в 2,6 раза  и составит  (4,2) (2,6) = 10,9 А . При больших сигналах, появление которых невозможно контролировать регулятором громкости, форма сигнала становится близкой к прямоугольной и  средний ток увеличивается до 10,9 / 2 = 5,45 А, а рассеиваемая  на эмиттерном резисторе мощность увеличивается  с 0,84 Вт до  5,45² 0,47 = 14 Вт, а с учетом фазовых сдвигов  из-за реактивного характера нагрузки  еще  больше до значений, ограниченных возможностями трансформатора .

     Т.к. допустимая мощность резисторов 5 Вт,  то выход из строя усилителя – вопрос времени.      

Вопрос 6: Общая площадь торгового зала гипермаркета  со служебными помещениями составляет 10 000 м.кв.  Всего установлено 132 шт  GO-02 и GO-01 (все 3Вт), из них 80 шт подключены к SYS2240 Inter-M. Остальные – к двум блокам ТУ-600 по 100 Вт, к ним же – CS820 2шт.  и  саб  “Philips” 1шт.  Усилительные блоки всегда практически холодные, а SYS2240, который работает только на GO, греется очень сильно. Вышли из положения с помощью вентилятора, который все время работает и направлен на SYS. Что сделано неправильно?

Ответ:

Найдем  сопротивление  нагрузки для SYS, как сопротивление параллельно включенных громкоговорителей:

Однако, реальная нагрузка  включает в себя еще и сопротивление проводов.

Предположим, эквивалентное сопротивление соединительных проводов составляет 20 Ом   ( при определении сопротивления проводов не забудем, что характер нагрузки распределенный и  измеренная тестером  цифра  в 1,5…2 раза  выше ). Тогда:

Нетрудно посчитать, хотя  это и не относится к теме вопроса, что в среднем на громкоговорители подается 2 Вт, а не 3 Вт (со всеми вытекающими последствиями в уровнях давления).

В  мануале на SYS2240 читаем: максимальную неискаженную мощность усилитель развивает при 100V / 41,7Ohm. При нагрузке же 63,3 Ом мощность составляет  158 Вт против 240 Вт номинальной для SYS,  т.е. SYS недогружен. Причина нагрева – скорей всего в высоком токе покоя оконечного каскада усилителя в SYS2240, а не в громкоговорителях,  и не представляет опасности. А вот вентилятор наверняка станет причиной неисправности. Дело в том, что в дисководе проигрывателя дисков в SYS оптическая призма и лазерный излучатель открыты  и поэтому   с вентилятором засорятся  гораздо быстрее.

** В пользу увеличенного тока покоя усилителя существует несколько аргументов. В частности, по аналогии с увеличением срока службы ламп накаливания благодаря предварительному разогреву их нити накала, можно избежать отрыва кристалла транзисторов от подложки из-за термоудара, если транзисторы усилителя предварительно разогреты.

Вопрос 7: По требованию МЧС линии должны проверяться на обрыв и к.з. Предусмотрена ли разделительная  емкость  в  громкоговорителях  GO?

Ответ:

Под разделительную емкость предусмотрено место на плате. Устанавливается только в 100V – варианте  громкоговорителей  и только по требованию  заказчика.

Вопрос 8:  Торговый зал самообслуживания площадью 2,5 тыс.м.кв. отделан до уровня 2,5 м. от пола стеновыми панелями, остальная площадь до потолка – штукатурка под покраску. Пол выложен плиткой. Предполагается подвесной потолок типа «Армстронг» и потолочные громкоговорители. Вызавает опасения сильная реверберация зала. Как ее учесть?

См. раздел «Программа расчета акустических параметров помещения» на главной странице сайта. По известным параметрам зала можно оценить его реверберацию и подобрав коэффициенты поглощений определиться с требованиями к отделочным материалам.

В общем случае необходимо уменьшать уровень поздних отражений, которые ухудшают разборчивость.  Это можно сделать применением  звукопоглощающих   покрытий  для потолка и пола. На частотах резонанса зала 3…5 кГц хорошими звукопоглощающими свойствами обладают: меламиновые панели Wiltec и Sonex  фирмы IIIbruk (Германия), их коэффициент поглощения около 1,3; панели Rockfon (Франция) из каменной ваты с коэффициентом 1; минеральные плиты Rockwool (Дания)  с коэффициентом 1; Clipso (Россия) с коэффициентом около 1; и т. д.

     Звукопоглощающие покрытия должны  быть  также в углах зала, где наблюдается концентрация стоячих волн.

     Неоднородности в форме стен, мягкие материалы отделки  дают рассеяние волн и значительно улучшают акустические условия, поэтому их следует устраивать везде, где это возможно (изломы, выпуклости и т.д.).

     Этими мероприятиями можно значительно снизить  гулкость зала, а значит улучшить разборчивость звука. Однако, самый эффективный способ добиться разборчивости – это  прямой  звук (см. выше)

Вопрос 9:  Как связаны между собой уровневые параметры звука ?

Ответ:

Вопрос 10: В районной больнице планируем установить порядка 400 шт. GO-01. Максимальная площадь отдельного помещения – 56 м.кв. Достаточна ли мощность GO 3 Вт ?

-----------


**Вывод формулы S:
При высоте потолков 4…5 м, уровне подвеса громкоговорителя  2,3…3,5 м (согласно п.3.17  НПБ104-03)  

1. Определяем минимально допустимый уровень давления ( края эллипса, образованного пересечением  эллипсоида диаграммы направленности  и  горизонтальной плоскости  на уровне 1,5 м от пола). По норме НПБ 104-03 п.3.15 :   Lmin  =  Lш +15 дБ,  где Lш – допустимый уровень шумов помещения. 
   

2.    Находим  расстояние от громкоговорителя до края пересечения эллипсоида диаграммы направленности с горизонтальной плоскостью 1,5 м :    R = 10 в степени [( 79,7- Lш + К ) / 20],
   

3. Задаем неравномерность давления внутри эллипса озвучивания
   Lmax – Lmin = 20lg( c / r ) = 6дБ
   

4. Находим расстояние от  GO – 01   до точки пересечения  акустической  оси  громкоговорителя  с горизонтальной плоскостью 1,5 м:  r = R / [10 в степени (6/20)] = 0,5 r
   

5. Определяем  малую ось эллипса диаграммы:
   а  = 0,9 корень из {R² - 0,5 [10 в степени [( 79,7- Lш + К)/20]²} = 0, 63 [ 10 в степени (3,98 – 0,05Lш + 0,05К)],
   

6. Находим площадь эллипса озвучивания:   S = п a b = (3,14) (0,63) (3,5) [10 в степени (3,98 – 0,05Lш + 0,05К)]
   
   S = (6,9) (10 в степени Y), 
   
   
   где   Y = 3,98 – 0,05 ( Lш – К ).
   
   

Список литературы

1.    Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1967. – 608с.

2.    Цвиккер В., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации: Пер. с нем./ Под ред. В.Г. Белкина. – М.: Связь, 1971. -216с.

3.    Ефимов А.П. , Никонов А.В., Сапожков М.А., Шоров В.И. Акустика. Справочник. М.: Радио и связь, 1989.-336с.