Как работает рупор? И зачем он вообще нужен?

Акустическая энергия берется рупором из источника и концентрируется в узкий пучок. Однако на деле рупор – не просто обычный концентратор. Он гораздо эффективнее. Он добавляет звуку несвойственную ему доселе мощность. Еще лорд Релей разработал теорию звука. Он утверждал, что для острого конуса интенсивность возрастает не только благодаря концентрации, или изменению угла излучения, в пределах которого идет звук.
При этом возрастает энергия, которую испускает источник. По словам Релея, уменьшив угол, под которым раскрывается рупор, можно получить от источника звука любые нужные объемы энергии. При этом за счет удлинения рупора облегчается выход указанной выше энергии в окружающую среду. С его теорией можно согласиться! Но почему это происходит?

Давайте разберемся, как можно излучать звук максимально эффективно. Звуковая волна генерируется не так уж и просто. Как правило, ее производят колеблющиеся мембраны: скажем, диффузор динамика. Он неизменно обладает парой поверхностей, излучающих звук.
Излучение идет в противофазе – по понятным геометрическим причинам. Сжимая воздух с одной стороны, диффузор всегда его разряжает – с другой. Так что динамик, по сути является двумя звуковыми источниками, находящимися по разные стороны от диффузора и излучающими звук в противофазе.
Проблему составляет как раз пара источников в противофазе. Ведь звуковая волна в этом случае не распространяется в пространство, а замыкается меж источниками. Возьмем в качестве примера низкочастотные колебания. Движущийся вперед диффузор динамика по идее сжимает перед собой воздух, разрежая его же за собой.
Однако в нашем случае воздух пойдет по простому пути: перетечет на заднюю сторону диффузора с передней по кругу. Последний, при этом, не ощущая воздушного сопротивления, как бы колеблется в вакууме. Результат: вне зависимости от мощности звукового источника, вся его мощь может быть истрачена на сжатие воздуха, который просто обтечет излучатель под этим давлением.
Данный воздушный поток вкруг диффузора – как раз та самая сильная волна звука, излучаемая с одной на другую его сторону. Подобным образом замкнуться звуки прочих частот. Их волны уложатся на дороге от передней до задней стороны мембраны целое количество раз. Процесс называют «акустическим коротким замыканием».
В результате него выдаваемый динамиком звук поглощается им же по замкнутой дорожке произвольной длины. Случись такое «замыкание», и динамик прекращает излучать звук, колеблясь, как уже говорилось выше, не ощущая воздуха, практически в вакууме. Оно может произойти как с одной стороны на другую, так и вообще по одной стороне. Последний вариант возможен при наличии внешних препятствий. Возможно замыкание и меж диффузорами пары различных динамиков.
Бороться с коротким замыканием пары сторон одного диффузора можно, увеличивая его диаметр. Ведь при этом возрастет и путь огибания. Тогда находящемуся в центре диффузора воздуху проще сжиматься, нежели обтекать его. На краях же акустическое замыкание все же останется. Известное всем специалистам правило повышения эффективности излучения таково: для более низких звуков нужен диффузор больших размеров.
Можно не увеличивать диффузор, а поместить его в стенку, излучающую, конечно, звук, но и препятствующую акустическому замыканию. Можно пойти дальше, изолировав друг от друга обе диффузорные поверхности – переднюю и заднюю. Динамик вставляется при том в самую обычную колонку или замкнутый ящик.

Что любопытно, даже если амплитуда колебаний невелика, находящийся в ящике динамик более эффективно излучает звук, нежели его аналог без ящика. Даже если у последней амплитуда будет мощнее. Странно, не так ли?
Вроде бы, у диффузора колебательная амплитуда зависит от того же параметра звуковой волны… Да, звук у открытого динамика весьма мощен. Однако замкнувшись с одной стороны на другую, он витает вкруг динамика, не унося энергию. У находящегося в ящике динамика колебательная амплитуда меньше. Зато весь имеющийся звук идет наружу.
Недостаток ящика все же довольно весом. Излучаемый обратной стороной диффузора звук пропадает, замкнувшись в этом ящике. Ведь как правило, внутреннюю его часть обивают материалом, поглощающим звуки. Так звучание внутри стенок, не переотражаясь, банально поглощается. Относительно динамика, эта внутренность оказывается бесконечным пространством, без всякой пользы излучающим «обратное» звучание. В сравнении с коротким акустическим замыканием это неплохо. Оно поглощает не весь звук, а ровно половину - что также неприемлемо.
Из ящика можно откачать воздух, чтобы побороть излучение обратной стороны диффузора. Может быть, это получится сделать, когда придумают ящики, выдерживающие атмосферное давление.

Как использовать излучение от обратной стороны динамика с пользой? Вроде бы проще всего развернуть это излучение на сто восемьдесят градусов, сложив с прямым. Для этого можно использовать трубу. Идущий из трубы звук обязан стать копией своего собрата, выходящего из передней стороны динамика. Тогда сложатся мощности обоих звуков, а короткого акустического замыкания не случится.
Полноценная реализация этой идеи нереальна: из трубы звук всегда идет с задержкой, будучи к тому же инвертированным. Ведь снимают его с обратной стороны диффузора. Это не является проблемой для сигнала, стабильного во времени. Например, если это синусоида с зафиксированной частотой.
Задержанная на половину волны инвертированная синусоида совпадает с прямым своим аналогом. Поэтому, корректно задержав обратный звук, мы скомпенсируем его инверсию. Так образуется пара синхронных звуковых источников – труба с диффузором. Задержкой по фазе достигается сигнальная инверсия, следствие – фазоинвертор. Относительно ящика мощность увеличится в два раза. Регулировать величину задержки можно, меняя длину трубы.
Однако различным частотам нужны трубы разных длин. Иными словами, совместить сложный инвертированный сигнал с прямым не получится никакой задержкой. Так что подобная труба будет хорошо работать лишь с одной настроечной частотой, а также ее гармониками. Пользы для иных частот – никакой. Если же частоты находятся меж гармониками настроечной частоты, эффект будет вообще отрицательным. Итог – короткое акустическое замыкание. Как правило, работает данная труба лишь на настроечной частоте, причем достаточно низкой.
Важно чтобы дающие трубе замыкание более низкие частоты не слышались, а в идеале – и вовсе отсутствовали. Чтобы избежать замыкания трубы на частотах, превышающих настроечную частоту, ее производят коленчатой, обивая затем материалом, поглощающим звуки. Тогда относительно высокие звуки не пройдут через нее, а ящик покажется им замкнутым.

При помощи фазоинвертора можно воспользоваться частицей обратного звука из спектра низких частот. Прочий же спектр все же потребуется как-то погасить. Как же усилить данный результат? Рупор оказывается самым радикальным выходом из положения.
Грубо выражаясь, речь идет о своего рода диффузорной лупе. Колеблющаяся на узкой стороне рупора мембрана, спроецируется в более широкую сторону. Амплитуда с размером колебаний увеличатся пропорционально.
Визуально может показаться, что звук, выходящий из рупора намного мощнее, нежели излучаемый скромных размеров мембраной. Но надо учитывать и давление. У небольшой мембраны ход невелик, однако здесь присутствует весомое сопротивление сжимаемого ею воздуха. Так что за тот же период работа ее аналогична усилиям эквивалентной крупной мембраны со значительным ходом.
Для понимания, как работает рупор, можно изучить деятельность динамика в ящике прямо на воздухе или на трубу. Легко понять, что при условии равных «вдохов» устройства при использовании трубы у сдвинутого воздуха кинетическая энергия окажется выше, нежели в случае открытой работы. Аналогичная система – и на «выдохе».
Это связано с тем, что практически всему воздуху в трубе приходится обретать скорость диффузора. На открытом пространстве ее получают лишь ближайшие воздушные слои. Чуть дальше скорость снижается (элементарная геометрия). Так что на трубу акустическая энергия отдается в значительно больших объемах, нежели в воздух.
Что будет, если, увеличив длину и уменьшив диаметр трубы, оставить прежним диффузор устройства? Воздуху придется двигаться быстрее диффузора, а на «вдохе» кинетическая энергия прежнего воздушного объема опять увеличится.
Есть и проблема: из трубы, тем более узкой, воздуху наружу выйти нереально. Ведь открытая ее сторона отразит обратно волну звука. Чтобы этого не случилось, на конце трубы диаметр ее должен превышать длину волны. На практике ее следует делать как можно шире. Логично дать коническое расширение этой части устройства.
Однако там, где конус ступенчато соединяется с трубой, обратное отражение все-таки достаточно велико. Лучше всего соединить конус и трубу в единое целое, расширяющееся поначалу слабо, а в финале – резко быстрее. Вы уже поняли, к чему мы клоним? Это классический громкоговоритель в виде рупора.

Подытожим главную идею устройства. Окружающий его воздух лишь за одно движение должен обретать максимум кинетической энергии. Иными словами, мы хотим, чтобы воздух снимал с диффузора максимум энергии звука. Для этого оптимален воздух, идущий по узкому каналу. Ведь здесь ему приходится двигаться весьма быстро. Но наружу звук должен выходить из канала, не встречая обратных отражений. Для этого ближе к выходу каналу следует неуклонно расширяться.
Что любопытно, находящийся в рупоре диффузор можно создавать все меньшего диаметра, уменьшая также и амплитуду его колебаний. Способность рупора отдавать низкочастотные звуки при этом сохранится. В идеале его динамик становится электромагнитной мощнейшей системой «катушка-магнит». Она двигает небольшую мембрану на умеренное расстояние, создавая при этом весомое давление на воздух.
Рупоры при этом даже специфически искажают звук. Причина – нелинейность адиабатического воздушного сжатия. По причине нагрева в процессе сжатия рост газового давления – быстрее уменьшения его объема. Все звуковые излучатели имеют подобное искажение. Однако в случае рупоров он сильнее выражено – из-за значительного воздушного сжатия.
Данное устройство не имеет проблем упомянутого выше акустического замыкания, а также излишнего рассеивания звука сзади. Ведь задняя часть диффузора в том случае лишена рупора и звук практически не излучает. Будучи слишком маленькой для этого, она имеет достаточно мелкую колебательную амплитуду.
Благодаря рупору диффузор передает воздуху свою энергию. Динамик же, как открытый, так и находящийся в ящике, сделать этого практически не может. Показатели преображения поданной на вход электрической энергии в звук:
• у закрытого ящика – в пределах одного процента;
• у ящика, снабженного фазоинвертором – два – три процента;
• у рупора – тридцать – пятьдесят процентов.
Согласитесь, цифры говорят сами за себя!