Рупорная антенна представляет собой конструкцию, состоящую из радиоволновода и металлического рупора. Они имеют широкую сферу применения, используются в устройствах измерительной техники и как самостоятельный прибор.
Что это
Рупорная антенна - это устройство, которое состоит из волновода с открытым концом и излучателем. По форме такие антенны бывают Н-секторальными, Е-секторальными, коническими и пирамидальными. Антенны - широкополостные, для них характерен небольшой уровень лепестков. Рупорная конструкция с усилиением простая. Усилитель позволяет ей быть небольшого размера. Например, или линз выравнивает фазу волны и положительно влияет на габариты устройства.
Антенна выглядит как раструб с прикрепленным к нему волноводом. Основным недостатком рупора считают его внушительные параметры. Для того чтобы привести такую антенну в рабочее состояние, она должна располагаться под определенным углом. Именно поэтому в длину рупор больше, чем в сечении. Если попытаться построить такую антенну с диаметром один метр, она бы в длину получилась в несколько раз больше. Чаще всего такие приборы используют в качестве зеркального облучателя или для обслуживания радиорелейных линий.
Особенности
Диаграмма направленности рупорной антенны - это угловое распределение плотности потока мощности или энергии в единицу угла. Определение означает, что прибор широкополосный, имеет питающую линию и небольшой уровень задних лепестков диаграммы. Для того чтобы получить остронаправленное излучение, необходимо сделать рупор длинным. Это не очень практично и считается недостатком данного устройства.
К одним из самых модернизированных типов антенн относят рупорно-параболические. Их основная особенность и преимущество - низкие боковые лепестки, которые сочетаются с узкой диаграммой направленности. С другой стороны, рупорно-параболические устройства габаритные и тяжелые. Одним из примеров такого типа служит антенна, установленная на космической станции "Мир".
По своим свойствам и техническими характеристикам рупорные приборы ничем не отличаются от установленных приемников в мобильных телефонах. Разница лишь в том, что у последних антенны компактные и скрыты внутри. Однако миниатюрные рупорные антенны могут повреждаться внутри мобильного устройства, поэтому корпус телефонов рекомендуется защищать при помощи чехла.
Типы
Существует несколько типов рупорных антенн:
- пирамидальная (сделана в форме пирамиды четырехгранника с прямоугольным сечением, используется чаще всего);
- секторальная (имеет рупор с расширением H или E);
- коническая (выполнена в виде конуса с круглым сечением, излучает волны круговой поляризации);
- гофрированная (рупор с широкой полосой пропускания, небольшим уровнем боковых лепестков, используется для радиотелескопов, параболических и спутниковых антенн);
- рупорно-параболическая (совмещает в себе рупор и параболу, имеет узкую диаграмму направленности, низкий уровень боковых лепестков, функционирует на радиорелейных и космических станциях).
Исследование рупорных антенн позволяет изучить их принцип действия, рассчитать диаграммы направленности и коэффициент усиления антенны на определенной частоте.
Как работает
Рупорные измерительные антенны вращаются вокруг собственной оси, расположенной перпендикулярно плоскости. К выходу прибора подсоединяется специальный детектор с усилением. Если сигналы слабые, в детекторе формируется квадратичная вольтамперная характеристика. Создает электромагнитные волны стационарная антенна, основная задача которой - передача волн рупорной. Для того чтобы снять характеристику направленности, ее разворачивают. Затем снимаются показания с прибора. Антенну поворачают вокруг своей оси и фиксируют все измененные данные. Применяют ее для приема радиоволн и излучения сверхвысоких частот. Устройство обладает огромными плюсами перед проволочными агрегатами, так как способно принять большой объем сигнала.
Где используется
Рупорная антенна используется как отдельный прибор и в качестве антенны для измерительных устройств, спутников и другой техники. Степень излучения зависит от раскрыва рупора антенны. Он определяется размерами его поверхностей. Используется этот прибор как облучатель. Если конструкцию устройства совмещают с отражателем, его называют рупорно-парабалическим. Агрегаты с усилением часто используют для проведения измерений. Применяют антенну как зеркальный или лучевой облучатель.
Внутренняя поверхность рупора может быть гладкой, гофрированной, а образующая - иметь плавную или кривую линию. Разные модификации этих излучающих приборов используют для улучшения их характеристик и функциональности, например для того, чтобы получить осесимметричную диаграмму. Если необходимо скорректировать направленные свойства антенны, в раскрыве устанавливают ускоряющие или замедляющие линзы.
Настройки
Рупорно-параболическая антенна настраивается в волноводной части с помощью диаграмм или штырей. Если понадобится, то такое устройство можно сделать самостоятельно. Антенна принадлежит к апертурному классу. Это означает, что прибор, в отличие от проволочной модели, принимает сигнал апертурой. Чем больше рупор у антенны, тем больше волн она примет. Усиления легко достичь, если увеличить размеры агрегата. К его преимуществам относят широкополосность, простоту конструкции, отличную повторяемость. К недостаткам - при создании одной антенны требуется большое количество расходных материалов.
Для изготовления своими руками пирамидальной антенны рекомендуется использовать недорогие материалы, например оцинковку, прочный картон, фанеру в сочетании с фольгой металлической. Рассчитать параметры будущего устройства допустимо при помощи специального онлайн-калькулятора. Энергия, принятая рупором, попадает в волновод. Если изменять положение штыря, антенна будет функционировать в широком диапазоне. При создании устройства учитывайте, что внутренние стенки рупора и волновода должны быть гладкими, а раструб - жестким по внешней стороне.
Panasonic и музей РЖД
Владимир Дунькович: Системы управления сценической механикой.
Синхронизация. Новый уровень шоу. OSC для шоу
Максим Коротков о реалиях с MAX \ MAX Productions
Константин Герасимов: дизайн — это технологии
Алексей Белов: Главный в нашем клубе - музыкант
Роберт Бойм: Я благодарен Москве и России - мою работу тут слушают и понимают
pdf "Шоумастера" № 3 2018 (94)
Четыре концерта с одной консоли в Мюнхенской филармонии Гаштайг
20 лет Universal Acoustics: история с продолжением
Беспроводные решения Astera на российском рынке
OKNO-AUDIO и семь стадионов
Илья Лукашев о звукорежиссуре
Simple Way Ground Safety — безопасность на сцене
Александр Фадеев: путь начинающего художника по свету
Что такое райдер и как его составлять
Дурацкий способ обработать бочку
pdf "Шоумастера" № 2 2018
Panasonic в Еврейском музее и центре толерантности
Концерты «БИ-2» с оркестром: передвижная готика
Дмитрий Кудинов: счастливый профессионал
Звукорежиссеры Владислав Чередниченко и Лев Ребрин
Свет в туре Ивана Дорна «OTD»
Шоу Ани Лорак «Дива»: Илья Пиотровский, Александр Манзенко, Роман Вакулюк,
Андрей Шилов. Прокат как бизнес
Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.
Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.
Всему, что знаю, я научился самостоятельно. Читал, наблюдал, пробовал, экспериментировал, совершал ошибки, переделывал заново. Никто меня не учил. В то время в Литве не было никаких специальных учебных заведений, в которых обучали бы работе со световым оборудованием. Вообще, я считаю, что научиться этому нельзя. Чтобы стать художником по свету, нужно иметь что-то такое «внутри» изначально. Можно научиться работать с пультом, программированию, можно выучить все технические характеристики, но вот научиться творить нельзя.
Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.
Не следует путать новые возможности дизайна активных помещений с «поддерживаемой реверберацией», которая с 1950-х годов использовалась в Королевском фестивальном зале (Royal Festival Hall), а позже в студиях «Лаймхаус» (Limehouse Studios). Это были системы, использующие настраиваемые резонаторы и многоканальные усилители для распределения естественных резонансов до нужной части помещения.
их результаты - ниже. Участники «Клуба прокатчиков шоу-технологий» активно обсуждали эту тему.
Мы предложили ответить на несколько вопросов специалистам, которые уже не один годв нашем бизнесе,
и их мнение, безусловно, будет интересно нашим читателям.
Андрей Шилов: "Выступая на 12 зимней конференции прокатных компаний в Самаре, в своем докладе я поделился с аудиторией проблемой, которая меня сильно беспокоит последние 3-4 года. Мои эмпирические исследования рынка проката привели к неутешительным выводам о катастрофическом падении производительности труда в этой отрасли. И в своем докладе я обратил внимание владельцев компаний на эту проблему как на самую важную угрозу их бизнесу. Мои тезисы вызвали большое количество вопросов и длительную дискуссию на форумах в соцсетях."
Рупорный громкоговоритель – это громкоговоритель, в котором для концентрации звуковой энергии в определенном направлении служит рупор (труба с непрерывно возрастающим сечением)
Этот тип громкоговорителя получил значительное распространение в мощных системах звукоусиления и оповещения на больших открытых пространствах (площадях, улицах).
Благодаря применению рупора улучшается согласование между относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы головки и довольно низким сопротивлением нагрузки воздушной среды, характеризуемым сопротивлением излучения. Рупор увеличивает сопротивление излучения и значительно повышает КПД громкоговорителя. Существует несколько форм рупора, однако наибольшее распространение получил экспоненциальный рупор, в котором площадь поперечного сечения возрастает по экспоненциальному закону
где So - площадь поперечного сечения начала рупора (горла); - коэффициент расширения; x - координата, отсчитываемая вдоль оси рупора от его начала (горла) к устью (рис.6.13)
Рупор, подобно электрическому фильтру верхних частот, характеризуется низшей пропускаемой частотой, называемой критической, которая зависит от коэффициента расширения рупора. Для эффективного воспроизведения низших звуковых частот рупор должен быть значительных размеров, что и является его главным недостатком. Поэтому в настоящее время рупорные громкоговорители находят широкое применение главным образом в качестве высокочастотных звеньев и двух- и трехполосных акустических систем, так как для воспроизведения высших частот размеры рупора и всего громкоговорителя должны быть небольшими.
В отличие от остальных громкоговорителей, рупорный громкоговоритель характеризуется высокой направленностью излучения звуковых волн и значительной дальностью действия (50 – 100 м), поэтому такие громкоговорители используют преимущественно для озвучивания больших открытых площадей и вытянутых помещений (стадионов, коридоров, галерей). Кроме того, рупорные громкоговорители могут работать при температуре – 20° – +60° С и не боятся повышенной влажности воздуха.
При озвучивании больших помещений рупорные громкоговорители устанавливаются рядом друг с другом и направляются в разные стороны. Благодаря такому расположению громкоговорителей можно распространять звуковые волны на площади, в несколько раз превышающие площадь, которую могут покрыть электродинамические громкоговорители при том же качестве звучания. При проектировании системы оповещения стоит учитывать, что рупорный громкоговоритель имеет диаграмму направленности с углом раскрытия порядка 30°.
Рабочий диапазон частот, в котором работает рупорный громкоговоритель, определяется его назначением и зависит от конструктивных особенностей. Рупорный громкоговоритель может работать как на небольшом участке спектра звуковых частот, так и занимать довольно широкую полосу (от 100 Гц до 6 кГц). Выходная мощность, которую обеспечивает рупорный громкоговоритель, обычно составляет от 5 до 100 Вт.
Поскольку на высших частотах увеличивается направленность излучения, то для расширения характеристики направленности в высокочастотных рупорных громкоговорителях с успехом применяются два средства. Первое средство состоит в секционировании рупора, в результате чего он превращается в пучок примыкающих друг к другу рупоров меньшего сечения, оси которых криволинейны и располагаются веером (рис. 27, а).
Рис. 4 Секционный рупор (а) и акустическая линза (б)
Принцип действия такого устройства заключается в том, что хотя направленность излучения каждой секции рупора вдоль оси возрастает на высших частотах, благодаря тому, что оси отдельных рупорных секций развернуты веером, их излучение направлено в пределах более широкого угла, образуемого веером осей. Поэтому угол раствора характеристики направленности громкоговорителя практически не зависит от частоты, так как он определяется пространственным расположением отдельных секций рупора. Это эквивалентно излучению группы отдельных громкоговорителей, расположенных рядом на сферической поверхности так, что их оси, сходящиеся в центре сферы, образуют одинаковые острые углы одна с другой.
Другим эффективным средством ослабления направленности рупора громкоговорителя является акустическая линза (рис. 27,6), более простая в изготовлении, чем секционированный многоячеечный рупор. Принцип действия акустической линзы подобен действию оптических рассеивающих линз, преобразующих распространяющуюся вдоль оси плоскую волну в сферическую или цилиндрическую.
Различие между оптическими и акустическими линзами состоит в том, что оптическая линза преобразует плоскую волну, изменяя ее скорость при прохождении сквозь линзу и тем более, чем длиннее ее путь в линзе. Изменение скорости волны в линзе обусловлено ее материалом (стеклом), в котором скорость распространения света меньше, чем в воздухе. В акустической линзе скорость звука везде одинакова и преобразование волны происходит вследствие различия длины путей волн, проходящих через линзу в центре и на периферии. Изменение длины путей волн в акустической линзе осуществляется наклонными каналами или щелями, удлиняющими путь звуковой волны, создаваемой громкоговорителем.
В зависимости от осевой симметрии линзы и ее положения в пространстве можно расширить характеристику направленности рупорного громкоговорителя как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях или только в одной из них.
Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причиной этого является несогласованность сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для увеличения сопротивления излучения следовало бы увеличивать размеры излучателя, но это влечет за собой увеличение механического сопротивления массы излучателя и не дает выигрыша в КПД. Так как диффузор выполняет две функции: функцию преобразования механических колебаний в акустические и функцию излучения этих колебаний в окружающую среду, то разрешить такое противоречие можно только путем разделения этих функций. Это разделение функций осуществляется в рупорных громкоговорителях.
Из рассмотрения частотной зависимости входного сопротивления экспоненциального рупора бесконечной длины (см. рис. 6.13, кривые 1, 2 ) следует, что активная составляющая сопротивления рупора для частот,
Рис. 6.13. Экспонциальный рупор: эскиз рупора и зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления рупора от частоты (1 - активная составляющая для экспоненциального рупора бесконечной длины; 2 - реактивная составляющая для него же; 3 - активная составляющая для него же в случае конечной длины; 4 - активная составляющая входного сопротивления для конического рупора)
ниже критической, равна нулю, присутствует только реактивная составляющая. Это свидетельствует о том, что рупор на этих частотах не излучает энергию в окружающее пространство, а запасает и возвращает ее после окончания вынужденных колебаний в виде своих свободных колебаний в механическую систему. Реактивная составляющая имеет инерционный характер, т. е. представляет собой соколеблющуюся массу, вносимую в механическую систему. Эта составляющая на средних и высоких частотах ничтожно мала, а на низких- выше критической частоты в большинстве случаев ею можно пренебречь без внесения заметной ошибки, поэтому в дальнейшем не будем ее учитывать.
Выше критической частоты активная составляющая быстро нарастает до сопротивления, равного сопротивлению плоской волны, и далее остается постоянной. Закон ее изменения напоминает частотную характеристику фильтра ВЧ. Для сравнения на рис. 6.13 (кривая 4 ) приведена частотная зависимость входного сопротивления конического рупора, имеющая значительно менее крутой подъем к высоким частотам. В этом и заключается недостаток конического рупора по сравнению с экспоненциальным.
Критическая частота экспоненциального рупора тем выше, чем круче он расходится, поэтому для смещения нижней границы частотного диапазона вниз приходится применять рупоры с пологим расхождением.
В рупорах конечной длины из-за несогласованности сопротивлений рупора с окружающей средой возникают отражения звуковых волн от его устья. В рупоре возникают стоячие волны. А из-за этого частотная характеристика входного сопротивления рупора становится волнообразной (см. рис. 6.13, кривая 3 ), правда, только на низких частотах, на которых фронт излучаемой волны близок к сферическому. Для средних и высоких частот длины излучаемых волн оказываются больше размеров излучающего отверстия рупора, и потому фронт волны в конце рупора становится плоским и остается таким после выхода из него. Вследствие этого не происходит отражения волн от конца рупора. Так как размеры выходного отверстия для широкополосных громкоговорителей берут в пределах 0,6-1 м, то такое явление наблюдается, уже начиная с частоты 300- 500 Гц (d =λ ).
Выходное отверстие рупора определяет и направленность его излучения. На рис. 6.3 были приведены характеристики направленности для поршневой диафрагмы в бесконечном экране при разных соотношениях d/λ . Оказывается, что эти соотношения почти полностью пригодны и для рупорного излучателя, если длины излучаемых волн меньше размеров выходного отверстия. В этом случае в отверстии рупора образуется волна по фронту, близкая к плоской. Следовательно, при размерах устья рупора в 0,6-1 м для частот выше 300- 500 Гц можно пользоваться этими соотношениями. На низких частотах излучение из отверстия рупора будет менее направленным, чем у поршневой диафрагмы, так как из-за отсутствия экрана будет иметь место расхождение волн в угле 4π вместо 2π.
Длина рупора определяется из (6.20) отношением площадей входного и выходного отверстий рупора:
Если надо иметь острую направленность и низкую нижнюю границу передаваемого частотного диапазона, следует увеличивать выходное отверстие рупора и уменьшать критическую частоту, вследствие чего приходится брать рупор большой длины. Для этого рупор часто свертывают или складывают (рис. 6.14).
Коэффициент концентрации рупоров зависит от частоты. На средних частотах он доходит до 30-50. Такая высокая концентрация создает большое осевое звуковое давление, передающий рупор как бы усиливает звук. На самом деле он только концентрирует звуковую энергию в определенном направлении. Кроме того, вследствие согласованности сопротивлений рупора и окружающей среды, с одной стороны, и рупора и механической колебательной системы, с другой, излучаемая мощность при использовании рупора больше, чем без него.
Сравните эти данные с данными для духовых музыкальных инструментов: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.
d - диаметр выходного отверстия рупора. В этом случае коэффициент концентрации Ω = 25 в широком диапазоне частот.
Рис. 6.14. Виды рупоров:
а) сдвоенный рупор; б) секционированный рупор; в) сложенный рупор
Большое распространение получили рупоры с прямоугольным выходным отверстием. Такие рупоры имеют разную направленность во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рупора, продольную и поперечную оси выходного отверстия. Направленность в каждой из этих плоскостей (продольной и поперечной) определяется отношениями размеров выходного отверстия с одной стороны и длиной волны с другой (6.19). Часто применяют сдвоенные круглые рупоры, т. е. два отдельных рупора со смежными выходными отверстиями (см. рис. 6.14а ). Такие рупоры могут приближенно рассматриваться как рупоры с прямоугольным выходным отверстием, имеющим поперечные размеры d и 2d , где d - диаметр выходного отверстия рупора.
В тех случаях, когда надо иметь одинаковое излучение в пределах телесного угла около π/2 , не зависящее от частоты, применяют секционированные рупоры (см. рис. 6.14б ).
Кроме частотных искажений, рупор вносит нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора.
Рупор ограниченной длины обладает резонансными свойствами. Вследствие этого активная составляющая входного сопротивления рупора сложным образом зависит от частоты, создавая неравномерность чувствительности громкоговорителя. Неравномерность частотной характеристики сопротивления рупора уменьшается, если диаметр устья рупора составляет примерно Напомним основные соотношения между параметрами экспоненциального рупора:
Если требуется излучить звук частоты 100 Гц, то критическую частоту следует выбрать ниже 100 Гц, например, 60 Гц. Тогда
Для передачи высоких частот и возможности создания достаточно большого коэффициента трансформации предрупорной камеры
Рис. 4.40. Громкоговоритель со свернутым рупором
потребуется диаметр горла не более 2 см. Тогда: Таким образом, для передачи рупорным громкоговорителем низких частот, начиная со 100 Гц, требуется рупор диаметром около метра и длиной более полутора метров. Если же необходима передача еще более низких частот, то размеры должны быть еще больше. Поэтому прибегают к «сворачиванию» рупора, чтобы уменьшить хотя бы его длину. Такие лабиринтные рупоры применяются довольно широко, для различных диапазонов частот. Схема рупора показана на рис. 4.40.
После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и ¦присутствия¦. В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно = теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.
Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2-3 кв.м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечас-тотные рупоры имеют квадратное сечение и ¦свернуты¦ сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьезные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.
Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50 % = очень внушительное значение по сравнению с 2 - 3 % фазоинверторного и меньше чем 1 % для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокоя стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свернутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты.
Но, хотя иногда встречаются курьезные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свернута в корпус объемом всего 150-200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объем работы по изготовлению свернутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к ¦поточным¦ методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свернутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самоделыцика, не говоря уже о профессионалах, и именно для них предназначена данная статья.
1.4. Громкоговорители
Классификация громкоговорителей: по способу излучения звука, по ширине рабочей полосы частот, по принципу действия Основные эксплуатационные характеристики громкоговорителей: полное электрическое сопротивление, электрическая мощность (номинальная и паспортная), частотная характеристика направленности.