опора звуковой катушки для моторного узла преобразователя катушки

История[ | ]

В телефоне Белла и последующих конструкциях для преобразования электрических колебаний в акустические использовался электромагнитный капсюль. В нём мембрана из магнитомягкого материала колебалась в магнитном поле постоянного магнита и электромагнита. До конца 1920-х годов большинство громкоговорителей использовало именно этот принцип работы. Такие громкоговорители имели высокий уровень нелинейных и частотных искажений, а также потери из-за токов Фуко и гистерезиса[1].

Райс и Келлог демонстрируют динамический громкоговоритель

Первым катушку с током, движущуюся поперёк силовых линий, предложил использовать в громкоговорителе Оливер Лодж в 1898 году[2]. В 1924 году Честер У. Райс (англ.)русск. и Эдвард У. Келлогг (англ.)русск. запатентовали наиболее близкую к современной конструкцию электродинамического громкоговорителя[3].

В 20-30-х годах XX века не были известны материалы для производства постоянных магнитов достаточной мощности, поэтому в громкоговорителях тех лет в магнитной системе использовались электромагниты. Кроме основной функции — создания магнитного поля для работы громкоговорителя они также выполняли функции дросселя, ослабляя фон тока питающей сети, вызванный недостаточной фильтрацией выпрямленного напряжения в источнике питания. Также для подавления фона могла применяться специальная антифонная катушка в магнитной системе громкоговорителя. Однако наличие подобной катушки ограничивало использование таких громкоговорителей в батарейных радиоприёмниках (из-за повышенного расхода батареи), радиоточках и выносных громкоговорителях (из-за необходимости в дополнительном источнике питания). По этой причине динамический громкоговоритель не сразу вытеснил электромагнитные: к примеру, громкоговорители типа «Рекорд» в СССР производились вплоть до 1952 года. Тем не менее, в аппаратуре класса Hi-End могут использоваться громкоговорители с полевой обмоткой в дополнение к постоянному магниту.

История

В телефоне Белла и последующих конструкциях для преобразования электрических колебаний в акустические использовался электромагнитный капсюль. В нём мембрана из магнитомягкого материала колебалась в магнитном поле постоянного магнита и электромагнита. До конца 1920-х годов большинство громкоговорителей использовало именно этот принцип работы. Такие громкоговорители имели высокий уровень нелинейных и частотных искажений, а также потери из-за токов Фуко и гистерезиса[1].

Райс и Келлог демонстрируют динамический громкоговоритель

Первым катушку с током, движущуюся поперёк силовых линий, предложил использовать в громкоговорителе Оливер Лодж в 1898 году[2]. В 1924 году Честер У. Райс (англ.)русск. и Эдвард У. Келлогг (англ.)русск. запатентовали наиболее близкую к современной конструкцию динамического громкоговорителя[3].

В 20-30-х годах XX века не были известны материалы для производства постоянных магнитов достаточной мощности, поэтому в громкоговорителях тех лет в магнитной системе использовались электромагниты. Кроме основной функции — создания магнитного поля для работы громкоговорителя они также выполняли функции дросселя, ослабляя фон тока питающей сети, вызванный недостаточной фильтрацией выпрямленного напряжения в источнике питания. Также для подавления фона могла применяться специальная антифонная катушка в магнитной системе громкоговорителя.

Устройство электродинамического громкоговорителя[ | ]

Устройство электродинамического громкоговорителя[4]
Неподвижная часть электродинамического громкоговорителя включает диффузородержатель

и
магнитную систему
.
Диффузор
упруго соединяется с диффузородержателем снаружи при помощи
подвеса
, а изнутри — с помощью
центрирующей шайбы
. К диффузору жёстко прикреплена
звуковая катушка
, которая может свободно перемещаться в магнитном зазоре, не касаясь стенок. Отверстие в центральной части диффузора накрывается
защитным колпачком
.

Подвес[ | ]

Гофрированный гибкий подвес (краевой гофр, «воротник») должен обеспечивать сравнительно низкую резонансную частоту (то есть иметь высокую гибкость); плоскопараллельный характер движения (то есть отсутствие крутильных и других видов колебаний) подвижной системы в обе стороны от положения равновесия и эффективное поглощение энергии резонансных колебаний подвижной системы. Кроме того подвес должен сохранять свою форму и свойства во времени и под воздействием климатических факторов внешней среды (температуры, влажности и др.). С точки зрения конфигурации (формы профиля), значительно влияющей на все указанные свойства, наибольшее распространение имеют полутороидальные, sin-образные, S-образные подвесы и др. В качестве материалов для подвесов низкочастотных головок применяют натуральные виды резины, пенополиуретан, прорезиненные ткани, натуральные и синтетические ткани со специальными демпфирующими покрытиями.

Диффузор[ | ]

Диффузор — основной излучающий элемент громкоговорителя, который должен обеспечивать линейную АЧХ в заданном диапазоне частот. В идеале диффузор должен работать как поршень, совершая возвратно-поступательные движения передавать колебания звуковой катушки окружающему воздуху. Однако по мере повышения частоты в нём появляются изгибающие усилия, что приводит к появлению стоячих волн, а значит — пиков и провалов резонанса на АЧХ громкоговорителя, и к искажениям звука. Для того, чтобы снизить влияние этих эффектов, стараются увеличить жёсткость диффузора, одновременно используя материалы с меньшей плотностью. В современных конструкциях для 8—12-дюймовых низкочастотных динамиков рабочий диапазон простирается до 1 кГц, 5—7″ среднечастотных — до 3 кГц, высокочастотных — до 16 кГц.

Диффузоры по типу материала бывают:

• жёсткие
  (керамические, алюминиевые) обеспечивают наименьший уровень искажений, за счет меньшего изгиба поверхности диффузора, но при этом у них слишком большая добротность, а значит — ярко выраженный пик резонанса. Задача производителя — сдвинуть этот пик за пределы рабочих частот. В то же время эти динамики занимают верхние ценовые позиции;
• полужёсткие
  (из стеклоткани или кевлара со связующей полимеризованной и запеченной смолой, «сэндвичи») — компромиссный вариант между мягкими и жёсткими. Дают больше искажений, но имеют более низкий выброс резонанса, и как правило на более низких частотах;
• мягкие
  диффузоры (полипропиленовые, полиметилпентеновые) обычно имеют ровную АЧХ за счёт поглощения звуковых волн материалом диффузора, и мягкий приятный звук почти во всем диапазоне, но имеют плохие импульсные параметры (отсутствие четкости). Кроме того, мягкий диффузор может крепиться к диффузородержателю без подвеса;
• бумажные
  диффузоры стоят особняком, так как дают очень характерный окрас звучания, для устранения которого в бумагу добавляют различные синтетические и натуральные волокна, покрывают диффузор лаком и т. д. Бумажные диффузоры более просты в производстве и позволяют в некоторых случаях делать диффузор, подвес и колпачок из одного материала.

По форме диффузоры могут быть:

• купольные
  , обычно применяются в ВЧ-динамиках;
• конусные
  — распространены более широко благодаря большей универсальности. Почти не применяются лишь в ВЧ-динамиках из-за направленности излучения. Существует несколько видов профилей конусных диффузоров:
  линейные
  являются максимально жесткими, но с максимальным значением резонанса, когда продольная волна сжатия материала от катушки резонирует с поперечной волной колебания самой оболочки;
• сегмент окружности
  позволяет сгладить резонанс;
• экспонента
  позволяет сгладить резонанс более эффективно.

На практике применяются комбинации всех трех типов с целью сместить резонанс в область высоких частот либо распределить его всплеск на более широкий диапазон уменьшив амплитуду.

• плоские диффузоры
  применяются редко, в основном в НЧ-динамиках, из-за очень высоких интермодуляционых искажений.

Реже применяются диффузоры более сложной формы, например гофрированные

, сочетающие в одной детали диффузор и сразу несколько подвесов — такое решение применяется для малогабаритных широкополосных динамиков с целью уменьшить интермодуляционные искажения и расширить диапазон воспроизводимых частот.

Также от формы образующей и жесткости материала зависят другие важные резонансы системы диффузор-подвес. Все мягкие диффузоры имеют характерный провал и затем всплеск на АЧХ, когда колебания выходят за пределы диффузора и в работу вступает подвес.

Также нужно учитывать, что если в бесконечной плоскости АЧХ динамика будет ровной, то в плоскости шириной 200 мм на АЧХ появится подъём в области 700—900 Гц, поэтому у диффузоров, которые дают в этой области провал, в корпусе АЧХ будет ровная, и не понадобится дополнительных корректирующих цепей, и некоторые производители это учитывают.

Колпачок[ | ]

Пылезащитный колпачок — сферическая оболочка, которая, выполняя функцию защиты рабочего зазора магнитной цепи от попадания пыли, является также окружным ребром жёсткости. Кроме того, колпачок является излучающим элементом, вносящим свой вклад в формирование АЧХ в области средних частот. Для обеспечения конструктивной жёсткости колпачки изготавливают, как правило, куполообразной формы с различными радиусами кривизны. В качестве материала используют композиции целлюлозы, синтетические плёнки, ткани с пропитками. В мощных низкочастотных громкоговорителях иногда используют колпачки из металлической (алюминиевой) фольги, что позволяет использовать их как дополнительный элемент отвода тепла от звуковой катушки. Но у конструкций с колпачками в пространстве между колпаком и катушкой возникают высообротные резонансы, поэтому некоторые производители вместо колпаков ставят фазовыравнивающие «пули», которые не вносят своих искажений.

Центрирующая шайба[ | ]

Между диффузором и корпусом динамика устанавливается специальная шайба, которая должна обеспечивать стабильность резонансной частоты низкочастотных громкоговорителей в условиях динамических и температурных нагрузок, линейность упругих характеристик при больших смещениях подвижной системы, предотвращать смещения звуковой катушки в радиальном направлении и «провисание» подвижной системы, а также защищать магнитный зазор от пыли. Обычно в низкочастотных громкоговорителях используются центрирующие шайбы с синусоидальной гофрировкой (число гофр варьируется от 5—7 до 9—11), плоские или «мостиковые». Однако в некоторых моделях встречаются шайбы более сложных конфигураций (например, тангенциальные), обеспечивающие, по мнению применяющих их фирм, большую линейность упругих характеристик, стабильность формы и т. п. Изначально центрирующая шайба имела совершенно иную конструкцию: она прикреплялась к керну магнитной системы и внутренней части звуковой катушки. Такая шайба имела характерный внешний вид, из-за которого получила название «паук», которое сохранилось в некоторых языках несмотря на то, что современные центрирующие шайбы имеют совсем другую конструкцию.

В качестве материалов для шайб применяют натуральные арамидные ткани (типа миткаля, бязи и т. п.), пропитанные бакелитовым лаком, синтетические ткани на основе полиамидов, полиэстера, нейлона и др. В некоторых низкочастотных громкоговорителях применяются шайбы, в материал которых вплетаются металлические (алюминиевые, медные) нити, которые по заявлениям производителей улучшают отвод тепла от звуковой катушки.

Звуковая катушка и магнитная система[ | ]

Два варианта исполнения магнитной системы: с кольцевым (слева) и стержневым (справа) магнитом.
Звуковая катушка — катушка с проводом, которая находится в зазоре магнитной цепи и обеспечивает совместно с магнитной системой динамика преобразование электрической энергии в механическую. Магнитная система динамика обычно состоит из кольцевого магнита и керна, в зазоре между которыми движется звуковая катушка, не касаясь стенок. Большое значение имеет равномерность магнитного поля в пределах хода катушки, для чего особым образом формируются полюса магнитов, а на керн надевается медный колпачок. Для уменьшения массы катушки (что особенно важно в ВЧ-динамиках) производители иногда применяют алюминиевый провод, в том числе с медным покрытием. Электрический ток к катушке подводится с помощью гибких проводов, представляющих собой намотанную на синтетическую нить проволоку. Провода часто закрепляют на диффузоре, чтобы они при работе не прикасались к другим частям динамика. Противоположные концы проводов подключены к клеммной колодке, расположенной на основании динамика (к который припаиваются проводники электросхемы устройства, в котором установлен динамик). Обычно клеммы помечены знаками «+» и «-», что позволяет выполнить правильную фазировку (синфазное включение) головок, входящих в состав акустической системы или звуковой колонки. Диффузоры головок, включённых синфазно, смещаются в каждый момент времени в одну сторону

(внутрь или наружу), что можно визуально проконтролировать путём кратковременной подачи на головки небольшого постоянного напряжения.

Статья «Громкоговорители, часть 3.2»

Конструкция электродинамических громкоговорителей. Причины возникновения нелинейных искажений.

Физические процессы, приводящие к возникновению нелинейных искажений в электродинамических громкоговорителях, связаны, прежде всего, с нелинейной зависимостью выходного сигнала (звукового давления) от входного сигнала (приложенного напряжения к звуковой катушке громкоговорителя). Эта зависимость обусловлена нелинейностью упругих колебаний элементов подвижной системы (подвесов, шайб, диафрагм) и нелинейностью процессов электромагнитного преобразования в системе «магнитная цепь + звуковая катушка».
Подвижная система
Начнем с анализа причин возникновения нелинейных искажений в подвижной системе громкоговорителей, основные элементы которой показаны на рис. 1.

В области низких частот появление дополнительных гармоник в спектре (так же, как и интермодуляционных искажений) определяется, в основном, нелинейностью упругих характеристик (то есть зависимостью смещения от приложенной силы) в подвесах и центрирующих шайбах. В области средних и высоких частот начинают вносить свой вклад в нелинейные процессы резонансные и параметрические колебания диафрагм. Кроме того, при наличии определенных дефектов в подвижных системах в спектре выходного сигнала могут появиться гармоники высших порядков («дребезг»).

Как уже было сказано в предыдущей статье, в реальных громкоговорителях связь между силой, приложенной к подвижной системе громкоговорителя со стороны звуковой катушки, и ее смещением в области низких частот имеет нелинейный характер: F = к1х + к2х2 + к3х3, где к1, к2, к3 — коэффициенты нелинейной жесткости, зависящие от физико-механических параметров материалов, из которых сделаны подвес и шайба (резина, поролон, целлюлоза, ткань и др.), и от их конструктивных параметров (вида и глубины гофрировки, толщины и т. д.).

Измерения величины общей жесткости (упругости) подвижной системы в зависимости от величины смещения, представленные на рис. 2, показывают, что с увеличением смещения (при больших мощностях) система становится все более жесткой (коэффициент нелинейных искажений при этом возрастает). Необходимо отметить также, что жесткость зависит от частоты и условий окружающей среды (температуры, влажности и т. д.).

Интересно отметить, что центрирующие шайбы вносят больший вклад в нелинейность громкоговорителя, чем подвес. В некоторых случаях, например, при смещении шайбы от положения равновесия («провисания»), минимум кривой жесткости (рис. 2) может не совпадать с положением равновесия громкоговорителя, что вызывает появление дополнительных гармоник в спектре. Это требует соответствующей корректировки при сборке подвижной системы, например, некоторого сдвига плоскости приклейки подвеса.

При разработке громкоговорителей выбор конструктивных параметров подвеса и шайбы представляет значительные трудности, так как, с одной стороны, необходимо обеспечить достаточно большое смещение подвижной системы, чтобы получить высокий уровень чувствительности (90-94 дБ/Вт/м), с другой стороны — обеспечить относительную линейность упругих характеристик. Методы их компьютерного расчета и оптимизации детально разработаны (описание некоторых из них имеется в книге автора «Электродинамические громкоговорители»).

Одним из самых эффективных методов снижения нелинейных искажений в области низких частот, особенно на первом резонансе подвеса или шайбы, является увеличение демпфирования (снижения добротности). При больших добротностях, то есть малом затухании, может иметь место явление «скачка» — резкого изменения амплитуды вблизи вершины резонансной кривой, при этом колебания подвижной системы становятся неустойчивыми и при понижении и повышении частоты возбуждения могут иметь разные амплитуды, соответствующие разным точкам на резонансной кривой (рис. 3).

Такое явление называется потерей устойчивости и приводит к появлению субгармоник в спектре (то есть частот, равных 1/2, 1/3 и др. от основной частоты). Эффект «потери устойчивости» может проявляться и на более высоких частотах при больших смещениях за счет нелинейных эффектов при колебаниях диафрагмы. Как уже было показано в предыдущей статье, диафрагма имеет собственные резонансы в области средних частот, и при воздействии на громкоговоритель сигналом достаточно большой мощности с частотой, равной удвоенной резонансной частоте диафрагмы, также могут возникать субгармоники.

Применение для подвесов и шайб материалов с высокими демпфирующими свойствами (например, резины) или использование дополнительных пропиток вязкими лаками приводит к снижению добротности, уменьшению амплитуды на резонансе и симметризации резонансных кривых, что вызывает существенное снижение нелинейных искажений системы. Это особенно важно при проектировании мощных низкочастотных громкоговорителей, где смещения подвесов могут достигать 10-15 мм в области частот 20-40 Гц. Именно поэтому в них используют, в основном, тороидальные подвесы из специальной резины (или прессованного поролона) и мостиковые гофрированные шайбы из пропитанных тканей.

Звуковая катушка и магнитная цепь

Как уже было сказано ранее, общие нелинейные искажения сигналов в громкоговорителях в области низких частот определяются как нелинейной упругостью подвесов, так и нелинейностью электромагнитных процессов преобразования в узле «звуковая катушка + магнитная цепь».

При движении звуковой катушки в зазоре магнитной цепи возникает сила, действующая со стороны магнитного поля на звуковую катушку, которая приводит к смещению подвижной системы громкоговорителя. Эта сила равна F=BLI (B — индукция в зазоре, L — длина проводника, I — ток). Поскольку магнитный поток (как постоянный, так и переменный), пронизывающий катушку, изменяется по нелинейному закону, то и зависимость силы F от смещения катушки также имеет нелинейный характер, что и вносит свой вклад в возникновение нелинейных искажений в громкоговорителе.

Существуют несколько причин, обусловливающих нелинейную зависимость механической вынуждающей силы F от приложенного к звуковой катушке напряжения U:

— неоднородность и несимметричность распределения магнитного поля в зазоре, что определяет нелинейную зависимость средней индукции Вср (х) от величины смещения звуковой катушки;

— нелинейный характер взаимодействия переменного магнитного поля вокруг звуковой катушки с постоянным магнитным полем в зазоре;

— нелинейное изменение индуктивности звуковой катушки в зависимости от ее смещения;

— нелинейная зависимость активного сопротивления звуковой катушки от тока при больших уровнях подводимого напряжения.

В настоящее время все эти процессы основательно исследованы как экспериментальными, так и численными методами. Остановимся только на общих физических принципах влияния этих процессов на нелинейные искажения и конструктивных методах их снижения.

Распределение магнитных силовых линий внутри и вне зазора неоднородно (плотность их вне зазора значительно меньше) и несимметрично (выше и ниже зазора характер их распределения существенно различается), рис. 4а. Поскольку при смещении звуковую катушку пересекает разное число линий магнитного потока, возникающая в ней электродвижущая сила становится нелинейной функцией смещения (рис. 4б).

Распределение магнитного потока зависит от конфигурации фланцев, ширины и высоты зазора, объема и типа магнита и т. д. Численные расчеты коэффициента гармонических нелинейных искажений, обусловленного этими причинами, показали, что несимметричность магнитного поля приводит к появлению второй гармоники, а неоднородность — к третьей. Кроме того, этот эффект приводит к возрастанию интермодуляционных искажений, особенно в области низких частот, где смещения звуковой катушки особенно велики.

Для снижения влияния неоднородности магнитного поля на нелинейные искажения в практике разработок громкоговорителей используются различные конструктивные меры: изменение высоты катушки, высоты зазора, конфигурации фланцев и т. д. (рис. 5). Как показали расчеты, существенное влияние на величину нелинейных искажений оказывает также увеличение высоты катушки.

Переменный магнитный поток

Значительный вклад в общий уровень вносят искажения, обусловленные взаимодействием переменного магнитного потока (возникающего вокруг звуковой катушки при подведении к ней переменного напряжения звуковой частоты) с постоянным магнитным полем.

Переменный поток Фзк звуковой частоты определяется через индуктивность (точнее, коэффициент самоиндукции I) как Фзк= LI. Поскольку звуковая катушка находится в непосредственной близости от центрального полюсного наконечника (керна) и верхнего фланца, этот переменный поток замыкается через магнитопровод и рабочий зазор, создавая переменную составляющую рабочей индукции в зазоре. Расчеты переменного потока показали, что магнитный поток распределяется в непосредственной близости к звуковой катушке, то есть на расстоянии нескольких миллиметров от катушки в близлежащих частях центрального полюсного наконечника и верхнего фланца, и лишь 10% переменного потока распределяется в остальных частях магнитопровода.

Следует отметить, что, поскольку величина Фзк зависит от длины намотки звуковой катушки (через коэффициент I), то в низкочастотных громкоговорителях поток глубже проникает в детали магнитопровода, чем в высокочастотных. При перемещениях звуковой катушки область, охватываемая переменным магнитным потоком, также смещается вместе с ней.

Искажения, вносимые переменным магнитным потоком, определяются рядом факторов.

Во-первых, нелинейностью магнитных характеристик материала магнитопровода. Изменение магнитного состояния материала магнитопровода при воздействии переменного магнитного потока показано на рис. 6, где представлена основная кривая намагничивания материала магнитопровода (обычно низкоуглеродистая сталь марки Э-12 или сталь 10) и частная петля гистерезиса — a, b, c.

Известно, что при воздействии на намагниченный постоянным магнитным полем ферромагнитный материал переменного магнитного поля магнитное состояние этого материала изменяется не по основной, а по частной петле гистерезиса a, b, c. При этом в звуковой катушке индуцируется ток, искажающий форму основного тока, что приводит к появлению искажений в воспроизводимом громкоговорителем звуковом сигнале.

Во-вторых, под действием этого же переменного потока в массивных частях магнитопровода возникают индукционные (вихревые) токи. Так как сплошной металлический массивный проводник (фланец, керн) имеет малое сопротивление, то сила индукционных токов (токов Фуко) может достигать больших значений, особенно на высоких частотах, поскольку она пропорциональна скорости изменения переменного магнитного потока. Область влияния этих токов ограничивается поверхностным эффектом (глубина их проникновения — доли миллиметра). Магнитное поле этих токов направлено противоположно вызывающему их переменному магнитному полю, поэтому они оказывают некоторое «сглаживающее» действие на форму тока.

Следует отметить, что искажения, обусловленные переменным магнитным потоком, особенно сильно сказываются при использовании цепей с ферритовыми магнитами, так как в них из-за низкого магнитного сопротивления магнитопровода величина переменного потока, а следовательно и уровень искажения, довольно значительны (что может вызывать так называемый «ферритовый» звук в громкоговорителе).

Уровень нелинейных искажений, вносимых переменным потоком звуковой катушки, может быть снижен двумя путями: уменьшением абсолютной величины потока и повышением линейности характеристик магнитопровода. Наиболее эффективным способом уменьшения переменного потока звуковой катушки является использование индуктивно связанных с ней короткозамкнутых проводящих витков в виде колпачка, одеваемого на торец керна, или кольца, располагаемого внутри магнитной системы (рис. 5).

Переменный поток звуковой катушки индуцирует в короткозамкнутом витке противо-ЭДС, поток которой направлен противоположно магнитному потоку звуковой катушки. Степень уменьшения потока обратно пропорциональна сопротивлению витков, поэтому они выполняются из материалов с высокой электропроводностью. Для колпачков и колец используется, в основном, медь. В ряде конструкций применяется короткозамкнутое кольцо, плотно одеваемое на керн, в сочетании со ступенчатым керном, что позволяет сохранить величину индукции и симметризировать поток в зазоре. Изменение индуктивности звуковой катушки (L) в зависимости от величины тока (I) без короткозамкнутого витка и с ним показаны на рис. 7, откуда видно, что степень этой зависимости существенно уменьшается.

Еще одним способом уменьшения переменного магнитного потока является увеличение сопротивления магнитопровода вдоль пути этого потока. С этой целью участки магнитопровода, образующие зазор, выполняются в виде набора тонких кольцевых пластин из электротехнических кремнистых сталей. Слоистые полюсные вставки мало влияют на постоянный магнитный поток, так как он распространяется вдоль пластин, где магнитное сопротивление вставок мало, в то же время они имеют высокое магнитное сопротивление переменному потоку, который распространяется перпендикулярно к ним.

Повышение линейности магнитных характеристик магнитопровода также снижает нелинейные искажения, обусловленные переменным магнитным потоком. Оно может обеспечиваться перемещением рабочей точки магнитомягких материалов в область насыщения. В этой области (для низкоуглеродистой стали, из которой обычно делаются керны и фланцы, она начинается с индукции порядка 1,8 Тл) кривая намагничивания становится практически линейной, а частная петля гистерезиса превращается в прямую линию. При этом гармонические искажения уменьшаются.

Перемещение рабочей точки достигается двумя путями: уменьшением сечения деталей магнитопровода на участках, прилегающих к рабочему зазору, и применением полюсных вставок из материалов с низкой индукцией насыщения. В первом случае используются конструкции керна с выборкой в торцевой части, при этом в оставшейся части индукция достигает значений 1,8…2 Тл. Еще большего эффекта можно достичь сочетанием насыщенного керна с медным колпачком (что целесообразнее использовать для средне-высокочастотных громкоговорителей). Во втором случае применяются полюсные вставки, например, из материала, получившего название FN-ring. Все перечисленные решения увеличивают трудоемкость изготовления магнитной цепи и требуют увеличения объема магнита для компенсации некоторого уменьшения индукции в зазоре, поэтому они применяются, в основном, в громкоговорителях для высококачественной и профессиональной аппаратуры.

Изменение индуктивности звуковой катушки

Следующим фактором, определяющим возникновение нелинейных, в первую очередь интермодуляционных искажений, является изменение индуктивности звуковой катушки L при смещении ее из среднего положения. В один полупериод колебаний звуковая катушка «надвигается» на керн магнитной цепи (L увеличивается), в другой — частично выходит за пределы керна и фланца, при этом влияние ферромагнитного материала ослабляется.

Характер изменения индуктивности звуковой катушки при различных ее положениях внутри магнитной системы был экспериментально измерен для различных типов громкоговорителей. Результаты показаны на рис. 8а,б. Как показали исследования, изменение индуктивности L(x) приводит к значительной модуляции высокочастотного сигнала низкочастотным (глубина модуляции может достигать 20%). Кроме того, изменение индуктивности оказывает существенное влияние на уровень переходных искажений в громкоговорителе: время нарастания импульса сигнала в нижнем положении катушки значительно больше, чем в верхнем. Например, для громкоговорителя диаметром 250 мм при смещении звуковой катушки на 5 мм вверх t = 200 мс, а вниз t = 450 мс. Это ухудшает воспроизведение нестационарных сигналов и, соответственно, качество звучания.

Как показали экспериментальные и теоретические исследования, способами уменьшения интермодуляционных искажений, обусловленных изменением индуктивности при смещении катушки, являются увеличение высоты керна, применение катушек с двойной намоткой и др. Примером такой конструкции может служить низкочастотный громкоговоритель LSR фирмы JBL (рис. 9). Кроме того, для этих целей также широко используются короткозамкнутые витки, например, медные колпачки на керне. Существенное влияние на значение L оказывает длина медного колпачка, наибольшее снижение интермодуляционных искажений дает использование медного колпачка на всю длину керна.

Скорость изменения индуктивности

Имеется еще один вид нелинейных искажений, обусловленный скоростью изменения индуктивности звуковой катушки как функции смещения. В любой катушке, питаемой током, возникают силы притяжения к ферромагнитному телу, находящемуся вблизи нее.

В электродинамических громкоговорителях звуковая катушка находится именно в таких условиях, поэтому при ее перемещении в узком зазоре магнитной цепи в дополнение к основной силе F(I) возникает сила притяжения. Наличие такой дополнительной силы приводит к появлению второй гармоники. Кроме того, она имеет постоянную составляющую, что может приводить к смещению нейтрального положения катушки и, соответственно, увеличению искажений. Присутствие этой силы приводит и к увеличению уровня интермодуляционных составляющих. Для уменьшения этих видов искажений используются те же конструктивные меры, что и для линеаризации L(x) (короткозамкнутые витки, увеличение высоты керна и т. д.).

Нагрев звуковой катушки

Следует отметить, что при больших уровнях подводимого напряжения из-за значительного повышения температуры нагрева катушки активное сопротивление также становится нелинейной функцией тока, что может вносить свой вклад в общую нелинейность зависимости силы F от подводимого напряжения U.

В процессе преобразования сигнала подводимая к громкоговорителю электрическая энергия частично преобразуется в акустическую (1…5%), остальная рассеивается в виде тепла, поэтому при проектировании громкоговорителей стремятся обеспечить максимальный теплоотвод в конструкции и теплоустойчивость ее элементов.

Тем не менее, при воспроизведении современных музыкальных программ температуры звуковых катушек могут достигать значительных величин, например, температура звуковой катушки низкочастотного громкоговорителя может составлять: 100 градусов (рояль соло), 120 градусов (рок-группа), 150 градусов (симфонический оркестр). Изменение температуры звуковой катушки в низкочастотном громкоговорителе диаметром 315 мм и соответствующее изменение ее сопротивления в зависимости от подводимой мощности при разной индукции в зазоре (1,2 и 2,0 Тл) показаны на рис. 10.

Значительный нагрев звуковой катушки и элементов магнитной цепи вызывает такие нежелательные явления, как механическое повреждение звуковой катушки, изменение магнитных свойств, возрастание активного сопротивления звуковой катушки (значения RЕ при разной величине подводимой мощности показаны на рис. 7) и др. Изменение активного сопротивления в 1,5…2 раза при нагреве до 200 градусов приводит к изменению тока при больших мощностях, поэтому по мере повышения мощности деформируется форма АЧХ, нарушается «динамическая линейность», происходит своего рода компрессия. Кроме того, такое значительное изменение активного сопротивления звуковой катушки приводит к рассогласованию громкоговорителя с фильтрующими цепями в акустической системе, что вызывает ухудшение параметров и качества звучания громкоговорителя.

Таким образом, при проектировании магнитных цепей громкоговорителей огромное внимание уделяется не только выбору параметров и конфигурации основных ее элементов, обеспечивающих заданную индукцию в зазоре (для обеспечения соответствующего уровня звукового давления), но и подбору всех элементов узла «магнитная цепь + звуковая катушка», обеспечивающих снижение нелинейных искажений в громкоговорителях.

Заключение

Проведенный в последних двух статьях краткий анализ причин возникновения линейных и нелинейных искажений в электродинамических громкоговорителях, конечно, не исчерпывает всех проблем, связанных с их конструированием и технологией изготовления.

В частности, при установке громкоговорителя в корпус могут возникать искажения за счет воздушных потоков в фазоинверторе, за счет эффектов Доплера при взаимодействии низкочастотных и высокочастотных громкоговорителей, и др.

Десятки крупнейших фирм (например, JBL, Altec Lansing, Peavey и др.) затрачивают большие средства на исследовательские и конструкторские работы в этом направлении. Выпускаются специальные журналы, книги, статьи и пр. Читатели, желающие ознакомиться с этим подробнее, должны изучать профессиональную техническую литературу (к сожалению, в популярных изданиях нередко встречаются художественные вымыслы на эту тему).

В последующих статьях будут рассмотрены нетрадиционные виды излучателей, достаточно широко используемые в современных акустических системах (электростатические, ленточные, пьезоэлектрические и др.)

Принцип работы[ | ]

При подаче электрического сигнала звуковой частоты катушка производит вынужденные колебания в поле постоянного магнита под действием силы Ампера перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, увлекая диффузор и через неё создавая волны разрежения и сжатия в воздухе. Связка «диффузор-катушка» колеблется с частотой подаваемого тока. При малой толщине магнитопроводов, образующих зазор, действительно работает только малая часть катушки, приблизительно равная толщине магнитопроводов зазора. Выходящие за пределы зазора части катушки почти не работают, у таких динамиков очень низкий коэффициент полезного действия. Силу, действующую на катушку, можно вычислить, применив закон Ампера

F = B I l {\displaystyle F=BIl} ,

где B {\displaystyle B} — индукция магнитного поля в зазоре, I {\displaystyle I} — ток проходящий через катушку, l {\displaystyle l} — часть длины провода катушки, находящаяся в зазоре магнитопроводов.

l = n π d 1 {\displaystyle l=n\pi d_{1}} ,

где n {\displaystyle n} — число витков катушки, находящихся в зазоре, d 1 {\displaystyle d_{1}} — диаметр катушки.

n = h / d 2 {\displaystyle n=h/d_{2}} ,

где h {\displaystyle h} — толщина магнитопроводов, образующих зазор, d 2 {\displaystyle d_{2}} — диаметр провода катушки.

Для повышения коэффициента полезного действия динамика необходимо увеличивать толщину магнитопроводов, образующих зазор, при этом пропорционально увеличению зазора уменьшается магнитная индукция в зазоре B {\displaystyle B} , но увеличивается относительная рабочая часть катушки, то есть относительная рабочая часть длины провода катушки l {\displaystyle l} до некоторой величины, после которой относительная рабочая часть длины провода катушки начинает уменьшаться. При изменении амплитуды электрического сигнала звуковой частоты также изменяется положение диффузора. Так как электрический сигнал звуковой частоты, подаваемый на катушку, имеет частоту в пределах слышимости человеческого уха (16—20 000 ), то и диффузор колеблется относительно постоянного магнита с такой же частотой.

Реальная частота колебаний диффузора большинства динамических головок и прилегающих слоёв воздуха лежит в пределах примерно 300—12 000 Гц, причём чем меньше и проще громкоговоритель, тем меньше этот частотный диапазон и тем менее линейна его амплитудно-частотная характеристика. На частотах за пределами этого диапазона излучаемая мощность незначительна. Для воспроизведения наиболее низких частот (примерно 16—250 Гц) небольшие по размерам динамические головки вовсе непригодны.

Колеблющийся диффузор создаёт в воздухе звуковые волны, воспринимаемые ухом человека. Таким образом, с помощью динамической головки электрический сигнал звукового диапазона частот с усилителя преобразуется в звук.

При воспроизведении наиболее низких частот из частотного диапазона, воспроизводимого динамиком, работает вся поверхность диффузора, а при воспроизведении высших частот из частотного диапазона — только центральная его часть, что располагается над катушкой. Поэтому в широкополосных динамиках часто в центре устраивается металлическая, полимерная или бумажная накладка — купол в целях улучшения воспроизведения высоких частот.

Mono-катушки

Mono-катушки незаслуженно обделены вниманием поисковиков.

А зря!

В настоящее время «невыбитыми» остаются замусоренные места, где необходимо потрудиться, чтобы получить достойный результат. В этом случае стоит выбрать mono-катушку, которая превосходит DD по разделению целей, определению их местоположения и дискриминации металлов.

Так же mono-катушку стоит применять после обнаружения скопления целей, что позволит сократить площадь проведения раскопок и создать четкую картину о составе целей.

Отрицательной стороной mono-катушек является то, что при одинаковом диаметре глубина обнаружения цели DD-катушкой будет больше на несколько сантиметров.

Кроме того, mono-катушки очень подвержены влиянию грунта с высокой минерализацией (пляжи, прибрежные морские зоны и др.), что приводит к необходимости снижения чувствительности металлоискателя, от которой зависит глубина обнаружения цели.

Технические характеристики динамической головки[ | ]

При определении мощностных параметров головки следует учитывать, что в СССР в разное время они выражались по-разному — до 1985 года по ГОСТ 9010, позднее по ОСТ 4.383.001, требования которого ближе к международным нормам.

Основными техническими характеристиками динамической головки являются следующие.

• Тип динамической головки — полно-диапазонная (широкополосная — ГДШ, головка динамическая широкополосная), низкочастотная (ГДН), среднечастотная (ГДС), высокочастотная (ГДВ).
• Номинальный диаметр — как правило, внешний диаметр диффузородержателя (рамы). Реже — диаметр подвеса диффузора либо расстояние между противоположными крепёжными отверстиями. Для компрессионных драйверов — диаметр горла рупора.
• Мощность — может быть указано несколько значений мощности: Мощность по DIN 45500 — мощность (синусоидальная или музыкальная), при которой искажения сигнала не превышают 1%. В СССР существовало сходное понятие номинальной мощности
  , для которой, однако, не было установлено стандартного уровня искажений;
• Предельная, RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) — подводимая синусоидальная мощность, которую выдерживает головка в течение часа без разрушения. Головка может быть разрушена и гораздо меньшей мощностью, если динамик нагружается сверх своих механических возможностей на очень низких частотах (например, электронная музыка с большим количеством баса или органная музыка), также разрушение может быть вызвано перегрузкой («клипированием») усилителя мощности. В СССР использовался схожий параметр — паспортная мощность, однако измерялась она на шумовом сигнале в течение 100 часов;
• Пиковая (краткосрочная) мощность (PMPO) — мощность, которую может выдержать громкоговоритель в течение короткого времени. В СССР это время нормировалось 1 секундой, в то время как в настоящее время этот параметр не нормируется. Может быть в десятки раз больше номинальной мощности. В 90-е годы многие производители электроники нижнего ценового уровня в Китае наносили это значение мощности на продукцию, однако для конечного потребителя эта мощность не имеет смысла.

Применение[ | ]

Для высококачественного воспроизведения сигнала громкоговорителю требуется воспроизводить сигнал в широком диапазоне частот с низким уровнем искажений (нелинейных, интермодуляционных, частотных и т.д.), в широком динамическом диапазоне и с максимально возможным КПД. Все эти требования невозможно учесть в конструкции простой динамической головки. Кроме того, из-за явления акустического короткого замыкания невозможно создать открытую динамическую головку, удовлетворительно работающую на средних и низких частотах. Для расширения диапазона частот может применяться диффузор сложной формы (гофрированный, с дополнительным конусом и т.д.). Однако для высококачественного воспроизведения звука используются сложные акустические системы, состоящие из нескольких более узкополосных головок, а также включающие в себя средства акустического оформления для повышения КПД и создания требуемых характеристик громкоговорителя (диаграммы направленности, АЧХ и т.д).

Устройство электродинамической головки благодаря свойству обратимости идентично по принципу действия устройству динамического микрофона, и, таким образом, эти устройства могут быть взаимозаменяемыми. Например, во многих конструкциях переговорных устройств, домофонов, и даже в подслушивающих устройствах, некогда монтировавшихся спецслужбами в приёмники проводного радиовещания, в качестве приёмника звука — микрофона могли использоваться динамические головки.

Примечания[ | ]

1. В.Г. Лукачер.
   Системы громкоговорителей // Радиофронт. — 1936. — № 5 (март).
2. Steven E. Schoenherr.
   Loudspeaker History (англ.). Audio Engineering Society (2001). Дата обращения 6 мая 2020.
3. Steven E. Schoenherr.
   Rice-Kellogg (англ.). Audio Engineering Society (2001). Дата обращения 6 мая 2020.
4. Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов.
   Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства / А.Е. Степанов. — Киев: Наукова думка, 1982. — С. 91. — 672 с. — 330 000 экз.

Примечания

1. В.Г. Лукачер.
   Системы громкоговорителей // Радиофронт. — 1936. — № 5 (март).
2. Steven E. Schoenherr.
   Loudspeaker History (англ.). Audio Engineering Society (2001). Проверено 6 мая 2020.
3. Steven E. Schoenherr.
   Rice-Kellogg (англ.). Audio Engineering Society (2001). Проверено 6 мая 2020.
4. Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов.
   Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства / А.Е. Степанов. — Киев: Наукова думка, 1982. — С. 91. — 672 с. — 330 000 экз.

Литература[ | ]

• Электродинамический громкоговоритель
  — статья из Большой советской энциклопедии.
• Павловская В. И., Качерович А. Н., Лукьянов А. П. Акустика и электроакустическая аппаратура. 2-е изд. — М.: Искусство, 1986
• Акустика. Справочник. Под ред. М. А. Сапожкова. — М.: Радио и связь, 1989.
• Корольков В. Г., Сапожков М. А. Справочник по акустике. Под общ. ред. М. А. Сапожкова. — М.: Радио и связь, 1979.
• Алдошина И. А. Электродинамические громкоговорители. — М.: Радио и связь, 1989.
• Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. Высококачественные акустические системы и излучатели. — М.: Радио и связь, 1985.
• Иофе В. К., Лизунков М. В. Бытовые акустические системы. — М.: Радио и связь, 1984.
• Виноградова Э. Л. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками. — М.: Энергия, 1978.
• Эфрусси М. М. Громкоговорители и их применение. — М.: Энергия, 1971.
• В. В. Фурдуев.
  Электроакустика. — М.; Л.: тип. «Печат. двор», 1948. — С. 175-242. — 515 с. — (Физ.-матем. б-ка инженера). — 6000 экз. — ISBN 9785458387644.