エクスポネンシャルホーン、その目的と応用。円筒波面の指数関数的ホーン、その利点

8.3. ホーンスピーカー.

現在広く使用されている最も一般的なタイプのオーディオ機器の 1 つは次のとおりです。 ホーンスピーカー GOST 16122-87 によれば、ホーンスピーカーは「音響設計が剛性ホーンであるスピーカー」と定義されているため、ホーンはセクション 8.2.3 で前述したものと合わせて本格的な音響設計と考えることができます。音を増幅して希望の方向に向けるホーンの能力（楽器の作成に長年使用されてきた）により、ホーンスピーカーは電気工学の発展の初期から使用され始め、それよりも早く登場しました。ディフューザースピーカー。

しかし、現代のものに非常に近いデザインを持つ本物のホーンスピーカーの作成は 1927 年に始まり、ベル研究所 (米国) の有名なエンジニア A.Thuras と D.Wente が翌年「圧縮ホーンエミッター」を開発し、特許を取得しました。。スピーカ（ドライバ）にはアルミテープをフレームレスコイルとしてエッジに巻いた電磁変換器を用いた。ドライバー振動板は下向きのアルミニウムドームで作られていました。そのときでも、プレホーンカメラといわゆるWenteボディの両方が使用されました（それらについては後で詳しく説明します）。最初の商業生産モデル 555/55W (ブランド「Western Electric」) は、30 年代に映画館で広く使用されました。

低音域の範囲を拡大するための重要な一歩は、P.Voigt (イギリス) の発明であり、今日広く使用されている「折り畳まれた」ホーンを使用することが最初に提案されました。高品質の音響システム用のカールした低周波ホーンの最初の複雑なデザインは、1941 年にポールクリプシュによって開発され、ホーンのデザインを備えたこのデザインに基づいて、同社は現在でも高品質の音響システムを製造しています。

ロシアでは、ホーンスピーカーの最初のサンプルが1929年に作成されたことに注意してください（エンジニアのA.A.ハルケヴィッチとK.A.ロマーギン）、すでに1930年から1931年には、赤広場と宮殿広場を鳴らすために最大100Wの強力なホーンスピーカーが開発されました。

現在、ホーンスピーカーの応用範囲は非常に広く、街路、競技場、広場などの音響システム、各種部屋の拡声システム、スタジオモニター、ポータルシステム、高品質家庭用システム、拡声システムなどを含んでいます。

理由ホーンスピーカーの普及は主に、ホーンスピーカーの効率がより高く、その効率が 10% ～ 20% 以上であるという事実によるものです (従来のスピーカーの効率は 1 ～ 2% 未満です)。さらに、剛性ホーンの使用により、特定の指向特性の形成が可能になります。これは、音響強化システムを設計する際に非常に重要です。

仕組み まず、ホーンスピーカー (RG) は音響インピーダンス変換器です。直接放射 GG の効率が低い理由の 1 つは、振動板の材料と空気の間の密度の差が大きいため、スピーカーの振動に対する空気媒体の抵抗 (インピーダンス) が低いことです。ホーンスピーカー（ホーンとプレホーンチャンバーの使用により）は振動板に追加の負荷を生じさせ、より良いインピーダンスマッチング状態を提供し、それによって放射される音響パワーを増加させます。これにより、広いダイナミックレンジ、より低い非線形歪み、より優れた過渡歪みが得られ、アンプへの負荷が軽減されます。ただし、ホーンスピーカーを使用する場合、特定の問題が発生します。低周波を放射するには、ホーンのサイズを大幅に大きくする必要があることに加え、小さなプレホーンチャンバー内の高い音圧レベルにより、追加の非線形歪みが発生するなどです。

分類： ホーンスピーカーは 2 つの大きなクラスに分類できます。 広い首と狭い首。ナローネック RG は、ドライバーと呼ばれる特別に設計されたドームラウドスピーカー、ホーン、およびプリホーンチャンバーで構成されます (多くの場合、フェーズシフターまたは Wente ボディと呼ばれる追加のインサートが付いています)。ワイドネック RG は、従来の高出力ダイレクトスピーカーを使用します。放射スピーカーヘッドと、スロートの直径がヘッドの直径と等しいホーン。

さらに、これらは分類することができます ホーンの形状に応じて：指数関数的、畳み込み、マルチセル、双極性、放射状など。最終的に、それらは次のように分類できます。 周波数領域の再生: 低周波 (通常は折りたたまれています)、中周波、高周波、および 応用分野公式コミュニケーション (メガホンなど)、コンサートや劇場の設備 (ポータルシステムなど)、サウンドシステムなど。

デバイスの基本: 図 8.32 に示すナローネックホーンスピーカーの主な要素には、ホーン、プレホーンチャンバー、ドライバーが含まれます。

ホルン - ドライバーがロードされる可変断面のパイプです。上でも述べたように、音響設計の一種です。装飾がないと、スピーカーは短絡効果により低周波を発することができません。インフィニティスクリーンまたはその他のタイプの設計にラウドスピーカーを設置する場合、スピーカーから放射される音響パワーは放射抵抗の有効成分に依存します。 がん=1/2v 2 リズル。放射抵抗の反応性成分は、空気の追加質量のみを決定します。低周波では、波長がエミッタのサイズより大きい場合、球面波がその周囲を伝播しますが、低周波では放射が小さく、リアクタンスが支配的になります。、周波数が増加すると、アクティブ抵抗が増加します。これは、球面波では次のようになります。 Rイズル=  cS(か) 2 /2 (平面波では、それはより大きく、等しい Rizl=  とS)、S はエミッタの面積、a はその半径、k は波数です。球面波の特別な特徴は、その中の圧力が距離に比例して非常に急速に低下することです。 p~1/r. 断面積が徐々に増加するパイプ内にエミッタを配置すると、低周波で放射を提供し（つまり、短絡効果を排除し）、波形を平坦に近づけることができます。このパイプは次のように呼ばれます マウスピース

エミッタが位置するホーンの入口穴は、と呼ばれます。喉、そして環境に音を発するコンセントは、口。ホーンはダイアフラムへの負荷を増加させる必要があるため、効率的なエネルギー変換を行うためにスロートの半径 (面積) を小さくする必要があります。しかし同時に、口の直径が十分に大きくなければなりません。狭いパイプ内では、波長が出口の半径 -a- より大きい場合 (つまり、条件 >8a が満たされる)、エネルギーのほとんどが反射されて定在波が生成され、この現象は音楽で使用されます。管楽器。配管口が大きくなると（<a/3),то Rизл приближается к сопротивлению воздушной среды и волна беспрепятственно излучается в окружающее пространство устьем рупора.

ジェネレーターの形状ホーンは、エネルギーの「拡散」を減らすような方法で選択する必要があります。したがって、音圧が急激に低下すると、波面の球面形状が変形して平面波に近づき、放射抵抗が増加し（平面波では球面波よりも高くなります）、圧力の低下速度が低下します。 ; さらに、母線の形状を選択することで、音のエネルギーを特定の角度に集中させることができ、指向性特性を形成します。

したがって、ホーンは喉のサイズを小さくし、喉の断面積を徐々に大きくし、口のサイズを大きくする必要があります。許容可能なホーンの軸方向長さで大きな口のサイズを実現するには、断面積が増加するにつれてホーン断面の増加率も増加する必要があります (図 8.33)。この要件は、たとえばホーンの指数関数的な形状によって満たされます。

Sx=S 0 e  × , (8.2)

ここで、So はホーンスロートの断面図です。 Sx は、スロートから任意の距離 x の位置におけるホーンの断面です。  はホーンの拡張を示す指標です。  の単位は 1/m です。ホーン膨張指数は、ホーンの軸方向長さの単位当たりのホーン断面の変化によって測定される値です。エクスポネンシャルホーンを図に示します。図２では、ホーンの軸方向の長さが示されている。 dlは、断面の一定の相対変化に対応します。エクスポネンシャルホーンで発生する波の過程を分析すると、ラジエーターに負荷がかかる放射抵抗が周波数に依存することがわかります (図 8.34)。グラフから、エクスポネンシャルホーンでは、エミッタの発振周波数が特定の周波数を超えた場合にのみ波動プロセスが可能であることがわかります。 致命的(fcr)。臨界周波数以下では、ホーンの放射抵抗の有効成分はゼロであり、抵抗は純粋に反応性であり、ホーン内の空気塊の慣性抵抗に等しくなります。臨界周波数より約 40% 高い特定の周波数から開始すると、放射線の有効抵抗が反応抵抗を超えるため、放射線は非常に効果的になります。図 8.34 のグラフからわかるように、臨界周波数の 4 倍を超える周波数では、放射抵抗は一定のままです。臨界周波数は次のようにホーンの拡張率によって異なります。  cr= 秒/2、どこと - 音速。

(8.3)  および臨界周波数 f cr (Hz):  ~0.037f cr.

ホーンの臨界周波数の値、したがって放射抵抗の周波数応答だけでなく、ホーンの寸法もホーンの膨張指数に依存します。ホーンの軸方向の長さは、x=L の式 (1) から次のように決定できます。

L=1/  ln S 私 /S 0 (8.4)

式（３）から、次の結論を得ることができる。ホーンの臨界周波数を下げるためには、ホーン膨張指数（２）を小さくする必要があるため、ホーンの軸方向長さＬを増加させる必要がある。この依存性は、高品質スピーカーシステムでホーンスピーカーを使用する場合の主な問題であり、「ロール型」ホーンを使用する理由です。指数関数的ホーンの放射抵抗のグラフ (図 8.36) を作成する際、口からホーンへの波の反射 (有限長のホーンでは常に部分的に発生します) が考慮されていないことに注意してください。。結果として生じる定在波により、放射抵抗値に変動が生じます。ホーンの口からの音の反射は、低周波領域でのみ発生します。周波数が増加すると、媒体 (ホーン内およびホーンの外側) の音響特性が平準化され、音がホーンに反射されなくなり、ホーンの入力音響インピーダンスはほぼ一定のままになります。

プレホーンカメラ:スピーカーの放射音響パワーは放射の能動抵抗とエミッターの振動速度に依存するため、ナローネックホーンスピーカーでそれを増大させるには、力と速度の音響変換の原理が使用されます。ホーン 2 のスロートは、エミッター 1 の寸法と比較して数倍縮小されています (図 8.35)。ダイアフラムとホーン３のスロートとの間に生じる容積は、ホーン前室と呼ばれる。プレホーンチャンバー内の状況は、面積 S 1 の広いパイプに負荷されたピストンの振動として条件付きで想像できますが、ピストンのダイヤフラムにのみ負荷がかかると、狭いパイプ S 0 になります (図 8.35)。ダイアフラムの面積と等しい面積を持つ幅広のパイプ（ワイドネックホーン）、その場合、その放射抵抗は等しくなります Rizl= とS 1 、そしてそれによって放出される音響パワーはほぼ次と等しくなります。 Ra=1/2R イズル v 1 2 =1/2  とS 1 v 1 2 （これらの関係は厳密には平面波に対してのみ満たされますが、特定の仮定の下でこの場合にも適用できます。）プレホーンチャンバーにダイアフラムを取り付ける場合、つまり入口が狭い 2 番目のパイプに負荷がかかると、ダイヤフラムの振動に対する追加の抵抗 (インピーダンス) が発生します (2 つのパイプの接合部で生じる反射波により)。このインピーダンスの値は Z L (参照) です。 2 番目のパイプへの入口点 (つまり、 x = L ) までの圧力は、次の考慮事項から決定できます。プレホーンチャンバー内の空気が非圧縮性であると仮定すると、アクションの下でチャンバー内に生成される圧力 p力の F 1 面積 S 1 のピストン (ダイヤフラム) 上の力は、ホーンのスロート内の空気に伝達され、力を決定します。 F 0 , 領域のあるマウスピースの喉に作用する S 0 :

p=F 1 /S 1 , F 0 =ps 0 (8.5).

これから、次の関係が得られます。 F 1 /S 1 =F 0 /S 0 、F 1 /F 0 =S 1 /S 0 . エミッタ面積とホーンスロート面積の比は S 1 / S 0 と呼ばれます。 音響変換係数そして指定されている p.したがって、力の関係は次のように表すことができます。 F 1 =nF 0 . 振動板とホーン口の空気の体積速度が等しい条件から（つまり、ホーン前室からの移動中に振動板によって押しのけられる空気の体積が維持される条件から）、次の関係が成り立ちます。得られる値: S 1 v 1 = S 0 v 0 または: v 0 /v 1 =S 1 /S 0 =n。

(8.6)。<. V 0), значит, она испытывает большее сопротивление среды при колебаниях. Значение Z L в таком случае (учитывая, что импеданс по определению есть отношение силы к скорости колебаний Z L =F 1 /v 1) будут равны с учетом соотношений (8.5)и (8.6): Z L =F 1 /v 1 =S 1 p/v 1 =S 1 p/{v 0 S 0 /S 1 }=(S 1 2 /S 0 2)S 0 p/v 0 . (8.7)

得られた関係により、次の結論を導き出すことができます。ダイヤフラムは、より大きな力 (F 1 > F 0) の影響下では、より遅い速度 (V 1) で振動します。

ピストンが細いパイプの入口に立っている場合、その抵抗は Rizl=cS 0 に等しくなりますが、定義により Rizl=F 0 /v 0 =S 0 p/v 0、つまり S 0 p/v 0 =сS 0 、この式を式 (8.7) に代入すると、次のようになります。 Z L 1 2 /S 0 2 =(S 0  と)S 1 /S 0 ) S 1  =(S

と。 (8.8) このインピーダンスсS 0 に係数を乗じたものです。 1 2 /S 0 2 ) (S

対応する等価電気回路 (図 8.37) に見られるように、ある種の降圧変圧器の使用と等価です。

したがって、追加の抵抗が存在する場合、放射される音響パワーは増加し、次と等しくなります。 Ra=1/2 Z =1/2  とS 1 v 1 2 (S 1 /S 0 ). (8.9)

したがって、プレホーンチャンバーによる音響変換の使用により、音響パワーを (S 1 / S 0) 倍に増加させることができ、ホーンスピーカーの動作効率が大幅に向上します。音響変換係数の値は、エミッターの面積（S1）とホーンスロートの面積（So）に依存するため、制限されます。エミッタ面積の増加は、その質量の増加に関連します。大きな質量エミッタは、高周波において高い慣性抵抗を持ち、これは放射抵抗に匹敵します。その結果、高周波数では振動速度が低下し、音響パワーも低下します。ホーンスロート面積が減少するにつれて音響変換係数は増加しますが、これも一定の制限内では許容されます。非線形歪みの増加につながります。通常、音響変換係数は約 15 ～ 20 になるように選択されます。

ホーンスピーカーの効率は、次の式を使用して概算できます。 効率=2R E R ET /(R E +R ET ) 2 x100%、(8.10)

ここで、R E はボイスコイルのアクティブ抵抗、R ET =S 0 (BL) 2 /cS 1 2、B はギャップ内の誘導、L は導体の長さです。最大効率 50% は、RE = R ET のときに達成されますが、実際には達成できません。

ホーン GG の非線形歪みは、スピーカーのヘッド内で発生する通常の理由 (ボイスコイルと磁界の非線形相互作用、サスペンションの非線形柔軟性など) と、特別な理由 (喉の高圧など) の両方によって決まります。ホーンの温度が上昇し、熱力学的効果が影響し始め、ホーン前のチャンバー内の非線形空気圧縮も影響を受け始めます。

エミッタ、ホーンスピーカーに使用される従来の動電型スピーカーは、ワイドネックホーン (プレホーンチャンバーなし) の場合、強力な低周波スピーカーであり、現在、多くの製品で低周波設計として使用されています。 Genelek（この技術はウェーブガイドTLと呼ばれます）、ポータルサウンドシステムなどの音響ユニットの設計。

ナロースロートホーンスピーカーは、特別なタイプの動電型スピーカー (一般的に呼ばれます) を使用します。 ドライバー設計例を図 8.32 に示します。一般に、硬質材料（チタン、ベリリウム、アルミ箔、含浸グラスファイバーなど）で作られたドーム振動板があり、サスペンション（正弦波形または接線波形）とともにボイスコイルが外端に取り付けられています。ダイアフラム (アルミ箔または 2 層または 4 層の巻線を持つ硬いタイプの紙で作られたフレーム) サスペンションは磁気回路の上部フランジにある特別なリングで固定されています。干渉防止ライナー (Wente ボディ) がダイヤフラムの上に取り付けられています - 音響レンズ ダイヤフラムのさまざまな部分から発せられる音波の位相シフトを調整します。一部の高周波モデルでは、特殊な環状ダイヤフラムが使用されています。

低周波数領域でのホーンスピーカーの動作を分析するには、電気機械的アナロジーの方法が使用されます。計算方法は主にティーレ・スモール理論を使用しており、従来のコーン型スピーカーの計算方法はこの理論に基づいています。特に、ドライバーの Thiele-Small パラメータを測定すると、低周波ホーンスピーカーの周波数応答の形状を評価できます。図 8.37 は周波数応答の形状を示しています。ここで、曲線の変曲周波数は次のように決定されます。 f HM = 2f s / Q ts ;

f HVC =R e / L e ; f HC =(2Q ts)f s V as /V fs ; ここで、Q ts はエミッタの全体の品質係数です。 Re、L e – ボイスコイルの抵抗とインダクタンス、V fs – 等価体積、V as – プリホーンチャンバーの体積。ホーンスピーカーから発せられる音場の構造の完全な計算は、非線形プロセスの考慮を含め、数値的手法 (FEM または BEM) を使用して実行されます。たとえば、次のソフトウェアパッケージが使用されます。

http://www.sonicdesign.se/ ;http://www.users.bigpond.com/dmcbean/ ; http://melhuish.org/audio/horn.htm。ホーンスピーカーの主なタスクの 1 つは、さまざまな目的のサウンドシステムにとって基本的に重要である特定の指向特性の形成であるため、さまざまな用途に適しています。

= ホーンの形状、主なものは次のとおりです。

=指数関数的高周波での指向性特性の悪化に対抗するように設計されたホーン (図 8.38) 断面ホーンは、喉と口で接続された多数の小さなホーンで構成されます。この場合、各セルの指向性は周波数とともに鋭くなりますが、グループエミッターの全体的な指向性は広いままです。

=ラジアルホーンは異なる軸に沿って異なる曲率を持っています (図 8.39a、b) 放射パターンの幅は図 8.43b に示されており、水平面ではほぼ一定であることがわかります。これらのタイプのホーンは、現代のスタジオモニターで使用されているだけでなく、シネマシステムでも使用されています。

ホーンスピーカーの指向特性を拡張するためにも使用されます。 音響散逸性レンズ(図8.40)。

=回折ホーン (図 8.41a、b) は、一方の面には狭い開口部があり、もう一方の面には広い開口部があります。狭い面では広くてほぼ一定の放射パターンになりますが、垂直面ではより狭くなります。このようなホーンの変形は、現代の音響強化技術で広く使用されています。

ホルン 均一な適用範囲(JBL で長年の研究を経て作成されました) 両方の面で指向特性を制御できるようになります (図 8.42a、c)。

特殊な形状 折り畳まれた角低周波エミッタの作成に使用されます（図 8.43）。映画用に折り畳まれたホーンを備えた最初のシネマシステムは 30 年代に作成されました。ナローネックとワイドネックの両方のスピーカーのロールドホーンは、現在、高品質のコントロールユニット、コンサートや劇場の設備などの強力な音響システムに広く使用されています。

現在、拡声装置用と家庭用オーディオ機器用の両方で、他のタイプのホーンが生産されています。大規模なコンサートホール、ディスコ、スタジアムなどで音楽を演奏する場合、ホーンスピーカーの吊り下げセットと呼ばれるセットが使用されます。 クラスター。

ご存知のとおり、スピーカーにはホーンを搭載することができます。ホーンヘッド装置には 2 つの変形例が知られています。それらの最初のもの、いわゆるワイドネックでは、ホーンのスロートがヘッドのディフューザーに直接隣接しています。口の直径がヘッドディフューザーの直径よりも大きいという事実により、このようなホーンの指向性はヘッドの指向性よりも鋭くなります。したがって、音のエネルギーはホーン軸に集中し、ここで音圧が増加します。

2番目の変形例（ナローネック）では、ホーンはプレホーンチャンバーを介してヘッドの振動板（ディフューザー）に接続され、電気的なマッチングトランスのような役割を果たします。ここでは、ヘッドの可動システムとホーンのスロートの機械抵抗が一定であるため、ダイアフラムへの負荷が増加し、いわば放射抵抗が増加し、これにより効率が大幅に向上します。したがって、高い音圧を得ることができる。

ホーンにはさまざまな種類がありますが、実際に家庭用機器で最もよく使用されるのはエクスポネンシャルホーンで、その断面積は法律に従って異なります。

S = S 0 ∙ e βx ,

どこ S 0 – ホーン入口の領域、

β – 指数インデックス。

図では、図 1 は、さまざまなホーンプロファイルを示しています。

上記の式から推測できるように、このようなホーンの断面積は、軸方向の長さの単位ごとに同じ割合で増加します。このパーセント増分値によって、ホーンの下限周波数が決まります。図では、図 2 は、下限周波数に対する軸長 1 cm あたりの断面積の増加率の依存性を示しています。したがって、たとえば、ホーンが 60 Hz の下限周波数を確実に再生するには、軸方向の長さが 1 cm ごとに断面積が 2% ずつ増加する必要があります。この依存関係は、次の式の形式でも表すことができます。

f ああ = 6,25 ∙ 10 3 ∙ LG (0,01 k + 1)

どこ k – 断面積の増分、%。

低周波数 (最大 500 Hz) の場合、この式は簡略化され、次の形式になります。 f ああ = 27k

ホーンが正方形または円形の断面で作られている場合、正方形の一辺または円の直径は、ホーンの長さが 1 cm ごとに増加する必要があります。 √ k パーセント。高さが一定の長方形の断面で作られている場合、ホーンセクションの幅はだけ増加する必要があります。k 長さ 1 cm ごとにパーセント。

ただし、断面積の必要な増加率を維持するだけでは、低周波数を良好に再生するにはまだ十分ではありません。その出口、つまり口の十分な領域が必要です。その直径 (または等しい円の直径) は次のようになります。

D ≥ λ ああ / ∏ ≈ 110/f gr.n

したがって、60 Hz のより低いカットオフ周波数では、口の直径は約 1.8 m になります。より低いカットオフ周波数では、口のサイズはさらに大きくなります。また、ホーンヘッドは、低音域をしっかりと再現しながらも（上記）f ああ )、広い周波数範囲を十分に再現できません。このことを考慮すると、ホーンヘッドを 2 つ用意することをお勧めします。1 つは低域再生用、もう 1 つは高域再生用です。図では、図 3 は、2 つのホーンヘッドと、より低い周波数を再生するためのバスレフを備えたスピーカーの外観と断面を示しています。f ああマウスピース

住宅敷地内での低周波ホーン設計の使用は、部屋のサイズによって制限されます。ただし、そのような可能性が存在する場合、ホーンの計算は、選択した下限周波数での口の面積を指定することから始め、断面積がヘッドディフューザーの領域に達します。同時に、ヘッドを首の広いホーンと組み合わせるためには、ホーンの断面が同じ形状でなければなりません。円形または楕円形。ナローネックホーンの場合、スロートとダイアフラムがプレホーンチャンバーを介して関節接続されているため、ヘッドの断面形状とダイアフラムを同一にする必要はありません。チャンバー内の空気量の変形の非対称性による強い非線形歪みの発生を避けるために、チャンバーの高さはヘッドの移動システムの振動の振幅よりも大幅に大きくなければならないことに注意してください。ただし、プリホーンの高さが高すぎると、高域の再生が損なわれてしまいます。

スピーカー全体の寸法を小さくするために、ロールホーンが使用されることがあります。そのさまざまなデザインを図に示します。 4. ロールホーンは通常のホーンとほぼ同じ方法で計算されます。プロファイルを計算するときは、遷移点 (ニーベンド) で、周波数応答に不規則性を引き起こすセクションの突然の変化がないことを確認する必要があります。

ホーンアンテナは電波導波管と金属ホーンで構成される構造です。幅広い用途があり、測定機器や独立した装置として使用されます。

これは何ですか

ホーンアンテナは、開放端の導波管と放射器で構成されるデバイスです。このようなアンテナの形状は、H セクター、E セクター、円錐形、角錐形です。アンテナは広帯域で、小さなレベルのローブが特徴です。迫力のあるホーンデザインはシンプルです。アンプにより小型化が可能です。たとえば、レンズは波の位相を整え、デバイスの寸法にプラスの効果をもたらします。

アンテナは導波管が取り付けられた鐘のような形をしています。ホーンの主な欠点は、その印象的なパラメーターです。このようなアンテナを動作状態にするには、特定の角度で設置する必要があります。そのため、ホーンは断面よりも長さが長くなります。直径 1 メートルのアンテナを構築しようとすると、その数倍の長さになります。ほとんどの場合、このような装置はミラー照射器として、または無線中継線の保守に使用されます。

特徴

ホーンアンテナの放射パターンは、単位角度あたりの電力またはエネルギー束密度の角度分布です。この定義は、デバイスがブロードバンドであり、電源ラインがあり、図の小さなレベルのバックローブがあることを意味します。指向性の高い放射を得るためにはホーンを長くする必要がある。これはあまり実用的ではなく、このデバイスの欠点と考えられます。

最も近代化されたタイプのアンテナの 1 つに、パラボラホーンがあります。その主な特徴と利点は、狭い放射パターンと組み合わされた低いサイドローブです。一方、パラボラホーン装置は大きくて重い。このタイプの一例は、ミール宇宙ステーションに設置されたアンテナです。

ホーンデバイスの特性と技術的特徴の点では、携帯電話に搭載されているものと何ら変わりはありません。唯一の違いは、後者にはコンパクトなアンテナがあり、内部に隠されているということです。ただし、小型ホーンアンテナはモバイルデバイスの内部で損傷する可能性があるため、携帯電話のケースをケースで保護することをお勧めします。

種類

ホーンアンテナにはいくつかの種類があります。

ピラミッド形（長方形の断面を持つ四面体のピラミッドの形で作られ、最も頻繁に使用されます）。
扇形 (H または E 延長のホーンが付いています)。
円錐形（丸い断面を持つ円錐形で作られ、円偏波を放射します）。
波形（電波望遠鏡、パラボラアンテナ、衛星アンテナに使用される、広帯域幅、低レベルのサイドローブを備えたホーン）。
ホーンパラボラ (ホーンと放物線を組み合わせ、狭い放射パターン、低レベルのサイドローブを持ち、無線中継局や宇宙ステーションで動作します)。

ホーンアンテナを研究すると、その動作原理を研究し、特定の周波数での放射パターンとアンテナゲインを計算できます。

仕組み

ホーン測定アンテナは、平面に対して垂直に配置された独自の軸の周りを回転します。増幅機能を備えた特別な検出器がデバイスの出力に接続されています。信号が弱い場合、検出器内で二次電流-電圧特性が形成されます。電磁波は固定アンテナによって生成され、その主な役割はホーン波を送信することです。指向特性を消すために向きを変えます。次に、測定値がデバイスから取得されます。アンテナはその軸を中心に回転し、変更されたすべてのデータが記録されます。電波や超短波放射を受信するために使用されます。このデバイスは大量の信号を受信できるため、有線ベースのユニットに比べて大きな利点があります。

どこで使われているのでしょうか？

ホーンアンテナは、単体で使用するほか、計測機器や衛星などのアンテナとして使用されます。放射の程度はアンテナホーンの開口部によって異なります。それはその表面のサイズによって決まります。この装置は照射器として使用されます。デバイスの設計が反射鏡と組み合わされている場合、それはホーンパラバリックと呼ばれます。増幅ユニットは測定によく使用されます。アンテナはミラーまたはビームフィードとして使用されます。

ホーンの内面は滑らかでも波形でもよく、母線は滑らかでも曲線でもよい。これらの発光デバイスの特性や機能を改善するために、たとえば軸対称の図を得るために、さまざまな修正が使用されます。アンテナの指向特性を補正する必要がある場合は、加速レンズまたは減速レンズが開口部に取り付けられます。

設定

ホーンパラボラアンテナは、ダイアグラムまたはピンを使用して導波管部分で同調されます。必要に応じて、そのようなデバイスを自分で作成できます。アンテナは開口クラスに属します。これは、デバイスがワイヤーモデルとは異なり、開口部を通じて信号を受信することを意味します。アンテナのホーンが大きいほど、より多くの電波を受信できます。ユニットを大型化することで強化が容易となる。広帯域、設計のシンプルさ、優れた再現性などの利点があります。デメリットとしては、アンテナを1本作る場合に大量の消耗品が必要になることです。

自分の手でピラミッドアンテナを作成するには、亜鉛メッキ鋼板、耐久性のあるボール紙、金属箔と組み合わせた合板などの安価な材料を使用することをお勧めします。特別なオンライン計算機を使用して、将来のデバイスのパラメータを計算することができます。ホーンが受け取ったエネルギーは導波管に入ります。ピンの位置を変えると広範囲にアンテナが動作します。デバイスを作成するときは、ホーンと導波管の内壁は滑らかでなければならず、ベルの外側は堅くなければならないことに留意してください。

ホーンスピーカーが一般的に使用された最初の蓄音機の時代の後、後者の人気は、比較的大きいサイズ、製造の複雑さ、そしてそれによる高コストのために急激に減少しました。今日、広帯域ホーンシステムは少数の愛好家だけが使用しているという事実にもかかわらず、ほとんどの専門家は、このタイプのスピーカーに固有の多くの音響上の利点、特に高度なリアリズムと「存在感」を異口同音に指摘しています。この記事では、ホーンスピーカーの歴史を簡単に概説し、有能な設計に必要な理論的および実践的な情報をより詳細に説明します。さまざまなタイプのホーンのデータが提供されます。

理想的なエクスポネンシャルホーンは、喉 (スピーカーが取り付けられている場所) から口までの距離に応じて断面積が対数的に増加する真っ直ぐな円形の管で構成されています。低音域では非常に大きな口面積 (2 ～ 3 平方メートル) と少なくとも 6 メートルの長さのホーンが必要ですが、最高音域ではわずか 10 センチメートルのホーンが必要です。このため、ほとんどのフルレンジホーンシステムには、適切な長さと口の面積を備えた多数の個別のスピーカーが含まれています。これらの組み合わせを適度なサイズのキャビネット内に収めるために、低音域ホーン、さらには中音域ホーンも正方形の断面を持ち、複雑な方法で「巻かれ」ています。残念ながら、軸方向および円方向の真直度の偏差によって引き起こされる避けられない制限とトレードオフにより、周波数応答に大きな変化が生じる可能性があります。適切なサイズとコストのスピーカーシステムを設計するコツは、理想的なホーンに備わっている驚くべきリアリズムを犠牲にしないことです。

ホーンシステムの効率は通常 30 ～ 50% で、バスレフの場合は 2 ～ 3%、密閉型の場合は 1% 未満と比較すると、非常に印象的な値です。ホーンが人気がない主な理由は、そのサイズと高コストです。低音セクションの合計サイズは、キャビネット内にうまく折り畳まれたとしても、同等の低いカットオフ周波数を備えたバスレフまたは密閉ボックスよりもはるかに大きくなります。

ただし、長さ 6 m のまっすぐなホーンの奇妙なデザインに遭遇することもありますが、より使いやすいサイズのホーンから優れた結果が得られます。たとえば、完全なシステムはわずか 150 ～ 200 リットルの容積の筐体に折りたたむことができ、屋内での使用にはすでに十分に許容されます。通常、キャビネットの製造コストが主な障害とみなされますが、それは当然のことです。なぜなら、折り畳んだホーンの製造に必要な作業量は、他のタイプの設計に比べて大幅に大きいからです。さらに、この作業には高度な資格を持つパフォーマーが必要であり、「インライン」手法にはあまり適応していません。しかし、これは決して、折り畳んだホーンを組み立てるのが専門家はもちろん、訓練を受けた日曜大工の能力を超えているという意味ではなく、この記事は彼らを対象としています。

1.4. スピーカー

スピーカーの分類：音の放射方法による、動作周波数帯域の幅による、動作原理による。スピーカーの主な動作特性：総電気抵抗、電力（公称および銘板）、周波数応答特性。。

スピーカーは、入力側の電気音声信号を出力側の可聴音響信号に変換するデバイスです。適切な品質を確保するには、スピーカーは大音量かつ効率的に動作し、許容される (可聴の) ダイナミック (85 ～ 120dB) および周波数 (200 ～ 5000Hz) 範囲で音声信号を再生する必要があります。

ラウドスピーカーは、産業、輸送、スポーツ、文化、消費者サービスなど、人間の活動のさまざまな分野で最も広範囲に応用されています。たとえば、産業界では、拡声器はパブリックアドレス通信 (PAC) を提供するために使用され、輸送機関では緊急通信、アナウンス、家庭内ではページングアラート、およびバックグラウンドミュージックブロードキャストに使用されます。文化やスポーツの分野では、イベントの高品質な伴奏用に設計されたプロ仕様の音響システムが最も広く使用されています。サウンドサポートシステム (SSS) は、このようなシステムに基づいて構築されます。拡声器は、住民を保護するための幅広い組織的対策で積極的に使用されています。安全分野 - 警報システムおよび避難制御 (SAEC)、民間防衛の分野 - 地域警報システム (LSS) などです。火災や緊急事態の際に人々に直接（音で）警告します。

2. トランススピーカー

変圧器スピーカー - 変圧器を内蔵したスピーカーは、有線放送システムの最終的な実行要素であり、これに基づいて火災警報システム、地域警報システム、および拡声システムが構築されます。このようなシステムでは、変圧器整合の原理が実装されており、別個のスピーカーまたは複数のスピーカーを備えたラインが放送用アンプの高電圧出力に接続されます。高圧線での信号伝送では、電流成分を低減することで伝送電力量を維持し、電線での損失を最小限に抑えることができます。トランススピーカーでは、2 段階の変換があります。第 1 段階では、変圧器を使用して高電圧オーディオ電気信号の電圧を下げます。第 2 段階では、電気信号が可聴音響信号に変換されます。

この図は、キャビネットの壁取り付け変圧器スピーカーの背面を示しています。トランススピーカーは次の部品で構成されています。

ラウドスピーカーのハウジングは用途に応じてさまざまな材料で作ることができますが、今日最も普及しているのは ABC プラスチックです。ハウジングは、スピーカーの設置の容易さ、充電部の塵や湿気からの保護、音響特性の改善、および必要な指向性パターン (NDP) の形成に必要です。

降圧トランスは、入力ラインの高電圧電圧 (15/30/60/120V または 25/75/100V) を動電コンバータ (スピーカー) の動作電圧まで下げるように設計されています。変圧器の一次巻線には複数のタップ (フル電力、2/3 電力、1/3 電力など) を含めることができ、電力出力を変化させることができます。タップにはマークが付けられ、端子台に接続されています。したがって、そのような各タップは、周波数に応じて独自のインピーダンス（r、オーム）、つまり（変圧器の一次巻線の）リアクタンスを持ちます。インピーダンス値を選択する (知る) ことにより、入力ブロードキャストラインのさまざまな電圧 (u、V) におけるスピーカーの電力 (p、W) を次のように計算できます。

p = u 2 / r

端子台は、放送線を変圧器スピーカーの一次巻線のさまざまなタップに接続するのに便利です。

スピーカーは、入力側の電気信号を出力側のオーディオ (可聴) 音響信号に変換するデバイスです。降圧トランスの二次巻線に接続します。ホーンスピーカーでは、ホーンにしっかりと取り付けられたドライバーがスピーカーの役割を果たします。

3. スピーカー装置

スピーカー (動電変換器) は、機械的な可動ダイヤフラムまたはディフューザーシステムを使用して、入力側の電気信号を出力側の音波に変換するスピーカーです (図、インターネットから取得した画像を参照)。

動電型スピーカーの主な動作ユニットはディフューザーで、機械振動を音響振動に変換します。スピーカーコーンは、それにしっかりと取り付けられ、半径方向の磁場内に配置されたコイルに作用する力によって駆動されます。コイルには、スピーカーが再生するオーディオ信号に応じた交流電流が流れます。スピーカー内の磁場は、リング永久磁石と、2 つのフランジと 1 つのコアからなる磁気回路によって生成されます。コイルは、アンペア力の影響下で、コアと上部フランジの間の環状ギャップ内で自由に動き、その振動がディフューザーに伝達され、空気中に伝播する音響振動が発生します。

4. ホーンスピーカー装置

ホーンスピーカーは、許容される周波数とダイナミックレンジでオーディオ音響信号を再生する（アクティブな主な）手段です。ホーンの特徴は、開口角が限られており、周波数範囲が比較的狭いため、高い音響音圧が得られることです。ホーンスピーカーは主に音声アナウンスに使用され、地下駐車場やバス停など、騒音レベルの高い場所で広く使用されています。非常に集中した（指向性が狭い）音なので、鉄道での使用が可能です。駅、地下鉄の中。ほとんどの場合、ホーンスピーカーは公園やスタジアムなどの広場で音を鳴らすために使用されます。

ホーンスピーカー (ホーン) は、ドライバー (エミッター) と環境の間のマッチング要素です。ドライバーはホーンにしっかりと接続されており、電気信号を音響エネルギーに変換し、ホーン内で受信して増幅します。ホーン内の音響エネルギーは、音響エネルギーの高い集中を提供する特殊な幾何学的形状により増幅されます。設計に追加の同心チャネルを使用することにより、品質特性を維持しながらホーンのサイズを大幅に縮小することが可能になります。

ホーンは次の部品で構成されています (図、インターネットから取得した写真を参照)。

金属ダイヤフラム (a);
ボイスコイルまたはリング (b);
円筒形磁石 (c);
圧縮ドライバー (d);
同心のチャネルまたは投影 (e);
メガホンまたはラッパ (f)。

ホーンスピーカーは次のように動作します。電気音声信号が圧縮ドライバー (d) の入力に供給され、出力で音響信号に変換されます。ドライバーはホーン (f) に (しっかりと) 取り付けられており、高い音圧を提供します。ドライバーは、円筒形の磁石 (c) の周りに巻かれたボイスコイル (コイルまたはリング b) によって駆動 (励起) される剛性の金属振動板 (a) で構成されています。このシステムのサウンドはドライバーから伝播し、同心円状のチャンネル (e) を通過し、ホーン (f) で指数関数的に増幅されて出力に送られます。

注: さまざまな文献や文脈に応じて、メガホン、ラッパ、拡声器、反射板、トランペットなどのホーンの名前が見つかることがあります。

5. トランススピーカーの接続

放送システムでは、たとえば音量やカバーエリアを増やすために、複数の変圧器スピーカーを 1 台の放送アンプに接続する必要がある場合が最も一般的なオプションです。

多数のスピーカーがある場合は、それらをアンプに直接接続するのではなく、アンプまたはスイッチに接続されるラインに接続するのが最も便利です (図を参照)。

このようなラインの長さは非常に長くなる可能性があります (最大 1 km)。複数のこのようなラインを 1 つのアンプに接続することができ、次の規則に従う必要があります。

規則 1: トランススピーカーは放送アンプ (のみ) に並列に接続されます。

ルール2: 放送用アンプに接続されているすべてのスピーカーの合計電力 (リレーモジュール経由を含む) は、放送用アンプの定格電力を超えてはなりません。

接続の利便性と信頼性を確保するには、特別な端子台を使用する必要があります。

6. スピーカーの分類

スピーカーの考えられる分類を図に示します。

拡声システム用のスピーカーは次のカテゴリに分類できます。

応用分野別では、
特徴によると、
設計上。

7. スピーカーの応用分野

ラウドスピーカーには、音響特性に応じて、静かな屋内空間で使用されるラウドスピーカーから、騒音の多い屋外エリアで使用されるラウドスピーカーまで、音声アナウンスからバックグラウンドミュージック放送まで、幅広い用途があります。

動作条件と適用範囲に応じて、スピーカーは 3 つの主要なグループに分類できます。

屋内スピーカー – 密閉された空間での使用に使用されます。このグループのスピーカーは、保護等級が低い (IP-41) という特徴があります。
外部スピーカー – オープンエリアでの使用に使用されます。このようなスピーカーは、屋外スピーカーと呼ばれることもあります。このグループのスピーカーは、高度な保護 (IP-54) が特徴です。
防爆スピーカー (防爆) は、爆発性のエリアまたは攻撃性 (爆発性) 物質が多く含まれるエリアでの使用に使用されます。このグループのスピーカーは、高度な保護 (IP-67) が特徴です。このようなスピーカーは、石油・ガス産業や原子力発電所などで使用されています。

各グループは、対応する IP 保護のクラス (程度) に関連付けることができます。保護の程度は、危険な通電部や機械部品へのアクセス、固形物や（または）水のシェルへの侵入を制限する方法として理解されます。

電気機器の筐体の保護の程度は、国際保護マーク (IP) と 2 つの数字を使用してマークされます。1 つ目は固形物の侵入からの保護、2 つ目は水の浸入からの保護を意味します。

スピーカーの最も一般的な保護等級は次のとおりです。

IP-41 4 – 1 mm を超える異物からの保護。 1 – 垂直に滴る水が装置の動作を妨げてはなりません。このクラスのスピーカーは、密閉された空間に設置されることがほとんどです。
IP-54 5 – 防塵。一定量の粉塵が内部に侵入する可能性がありますが、デバイスの動作を妨げるものではありません。 4 – 水しぶき。あらゆる方向からの飛沫から保護します。このクラスのスピーカーは、オープンエリアに設置されることがほとんどです。
IP-67 6 – 防塵性。粉塵がデバイスに入らないようにし、接触から完全に保護します。 7 – 短期間の浸漬では、装置の動作を妨げる量の水が浸入してはなりません。このクラスのスピーカーは、重大な影響を受ける場所に設置されます。より高いレベルの保護もあります。

8. スピーカー特性

ラウドスピーカーは、応用分野と解決されるタスクの種類に応じて、次の基準に従ってさらに分類できます。

振幅周波数応答 (AFC) の幅による。
放射パターン幅 (WPD) による。
音圧レベルによって。

8.1 周波数応答幅によるスピーカーの分類

周波数応答の幅に応じて、スピーカーは、音声情報の再生にのみ十分な帯域（200 Hz ～ 5 kHz）と、音声情報の再生に使用される広帯域（40 Hz ～ 20 kHz）に分けられます。音声だけでなく音楽も再現します。

音圧に関するスピーカーの周波数応答は、作業中心から一定の距離にある自由音場内の特定の点でスピーカーによって発生する信号の周波数に対する音圧レベルのグラフまたは数値依存性です。ラウドスピーカー端子では一定の電圧値で動作します。

周波数応答の幅に応じて、スピーカーは狭帯域または広帯域になります。

狭帯域スピーカーは周波数応答が制限されているのが特徴で、原則として、男性の低い声である 200 ～ 400 Hz から女性の高い声である 5 ～ 9 kHz までの範囲の音声情報を再生するために使用されます。

広帯域スピーカーは、広い周波数応答を特徴としています。スピーカーの音質は、周波数応答の不均一性、つまり特定の周波数範囲における音圧レベルの最大値と最小値の差の大きさによって決まります。適切な品質を確保するには、この値が 10% を超えないようにしてください。

8.2 放射パターンの幅によるスピーカーの分類

指向性パターン幅 (DPW) はスピーカーの種類と設計によって決まり、周波数範囲に大きく依存します。

狭い PDP を備えたスピーカーは、高指向性スピーカーと呼ばれます (ホーンスピーカー、スポットライトなど)。このようなスピーカーの利点は、音圧が高いことです。

広い NDP を持つスピーカーは広指向性と呼ばれます (音響システム、サウンドコラム、キャビネットスピーカーなど)。

8.3 音圧によるスピーカーの分類

従来、ラウドスピーカーは音圧レベルによって区別されてきました。

音圧レベル SPL (Sound Pressure Level) は、20 μPa の基準圧力を基準として相対スケールで測定された音圧値で、周波数 1 kHz の正弦波音波の可聴閾値に対応します。スピーカー感度と呼ばれる SPL 値 (デシベル、dB で測定) は、宣言されたダイナミックレンジの上限レベルを歪みなく再現するスピーカーの能力を特徴付ける (最大) 音圧レベル、最大 SPL とは区別される必要があります。したがって、スピーカーの音圧（パスポートではmaxSPLと表記されます）はスピーカー音量とも呼ばれ、感度（SPL）と電気（銘板）電力（P、W）で構成され、以下に従ってデシベル（dB）に変換されます。「10 対数」の法則:

maxSPL = SPL + 10Lg(P)

この式から、音圧 (ラウドネス) の高低は電力ではなく、スピーカーの種類によって決まる感度に大きく依存することがわかります。

屋内スピーカーの最大SPLは原則として100dBを超えませんが、たとえばホーンスピーカーの音圧は132dBに達することがあります。

8.4 設計によるスピーカーの分類

放送システム用のスピーカーの設計はさまざまです。最も一般的なケースでは、スピーカーはキャビネットスピーカー (動電型スピーカーを使用) とホーンスピーカーに分類できます。キャビネットのスピーカーは、天井と壁、ほぞ穴とオーバーヘッドに分けることができます。ホーンスピーカーは、開口部の形状 - 円形、長方形、材質 - プラスチック、アルミニウムが異なる場合があります。

スピーカーをデザイン別に分類する例は、記事「ROXTON スピーカーのデザイン上の特徴」に記載されています。

9. スピーカーの配置

緊急の問題の 1 つは、種類と数量を正しく選択することです。正しいスピーカー配置スキームを使用すると、高音質、背景の明瞭度、均一な (快適な) サウンドの分布など、優れた結果を達成できます。いくつか例を挙げてみましょう。

オープンエリアでの音響には、高い音の指向性と高効率などの特性を備えたホーンスピーカーが使用されます。

廊下、ギャラリー、その他の拡張された部屋には音響投光器を設置することをお勧めします。スポットライトは、廊下の端にある単方向スポットライト、または廊下の中央にある双方向スポットライトのいずれかに設置でき、数十メートルの長さを容易に貫通できます。

天井スピーカーを使用する場合、スピーカーからの音波は床に垂直に伝播することを考慮する必要があります。したがって、リスナーの耳の高さで決定される音響領域は円になり、その半径は円になります。 90°の放射パターンは、天井 (スピーカー取り付け) の高さと床から 1.5 m のマークまでの距離との差に等しいとみなされます (規制文書による)。

天井音響を計算するためのほとんどの問題では、音波が幾何学的光線で識別される (幾何学的) 光線法が使用されます。この場合、天井スピーカーの放射パターンによって直角三角形の頂点の角度が決まり、底辺の半分によって円の半径が決まります。したがって、天井のスピーカーが発声するエリアを計算するには、ピタゴラスの定理で十分です。

部屋全体に均一な音を提供するには、スピーカーの面積がわずかに重なるように設置する必要があります。必要なスピーカの数は、1 つのスピーカで発音される面積と発音される面積の比率から求められます。スピーカーの配置は建物の形状によって決まります。スピーカー間の距離、つまり間隔は、カバーエリアに基づいて決定されます。配置が正しくない（ピッチを超える）場合、音場が不均一に分布し、一部の領域で知覚を悪化させるくぼみが発生します。

音圧の高いスピーカーを使用した場合、残響音のレベルが増大し、エコーなどの悪現象が発生します。この影響を補うために、部屋の床や壁は吸音材 (カーペットなど) で覆われたり、トリミングされたりします。残響のもう 1 つの原因は、スピーカーの配置が不適切であることです。天井が高い部屋では、スピーカーを近接して配置すると、相互に多くの干渉が発生する可能性があります。この影響を軽減するにはスピーカー間の距離を離すことが推奨されますが、特性を維持するには出力を大きくする必要があります。このような場合は、吊り下げ式オーディオスピーカーの使用をお勧めします。

部屋へのスピーカーの配置は、事前計算後に実行されます。計算によりさまざまな配置パターンを確認および決定できますが、その中で最も効果的なのは、「正方格子」、「三角形」、市松模様による配置です。廊下にスピーカーを配置する場合、主な設計パラメータは間隔のステップです。

電気音響計算とスピーカーの配置に関する問題については、次の記事で詳しく説明します。