Глава 6. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ТЕЛЕФОНЫ .

Рабочий центр — обычно геометрический центр симметрии выходного отверстия излучателя. Для сложных излучателей рабочий центр указывается в описании громкоговорителей.

Неравномерность частотной характеристики и эффективно воспроизводимый диапазон частот определяются по частотной характеристике, снятой на рабочей оси .Рабочая ось обычно совпадает с геометрической осью излучателя, а для сложных излучателей она указывается в описании громкоговорителей.

Среднее звуковое давление р_ср — среднеквадратичное значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенном диапазоне частот в заданной точке свободного поля. Усредняют значения звукового давления, измеренные на частотах, распределенных равномерно в логарифмическом масштабе.

Среднее стандартное звуковое давление р_ст — среднее звуковое давление, развиваемое в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к громкоговорителю напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности 0,1 Вт.

В справочниках иногда приводится номинальное звуковое давление р_ном, отличающееся от среднего стандартного тем, что определяется оно при подведении номинальной мощности.

Характеристическая чувствительность Е_х — отношение среднего звукового давления p_cр, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности Р_э:

Между характеристической чувствительностью и средним стандартным звуковым давлением существует прямая связь: р_ст=Е_Х√0,1.

Для расчетов часто пользуются понятием осевой чувствительности громкоговорителя по напряжению, под которой подразумевают отношение звукового давления р_1, развиваемого на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра громкоговорителя в свободном поле, к подводимому напряжению: Е_ос = р₁/U. Эта чувствительность зависит от частоты.

Входное сопротивление громкоговорителя — Z_вх Так как в общем случае Z_вх зависит от частоты, то в справочниках приводят номинальное электрическое сопротивление — минимальный модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя в диапазоне частот выше частоты основного резонанса механической колебательной системы громкоговорителя.

Характеристика направленности — зависимость звукового давления р_θ , развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля (находящихся на одинаковом расстоянии от рабочего центра), от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на указанную точку. Обычно эту характеристику нормируют по отношению к осевому звуковому давлению р_ос:

Характеристика направленности изменяется в зависимости от частоты, поэтому ее измеряют или на ряде частот, или для заданной полосы частот. Характеристику направленности, снятую в плоскости, называют диаграммой направленности. Диаграмму направленности обычно изображают в полярных координатах (рис. 6.1). При этом радиус-вектор соответствует величине R(Q) [см. (6.2)]. Иногда диаграмма направленности строится для значений 20 lg R (θ) в децибелах.

Рис. 6.1. Диаграмма направленности громкоговорителя; φ —угол излучения

Определяют ее для ряда плоскостей, проходящих через рабочую ось. Если излучатель громкоговорителя имеет осевую симметрию, то его характеристика направленности тоже будет иметь осевую симметрию. В этом случае достаточно иметь характеристику направленности только для одной плоскости. В большинстве случаев достаточно иметь диаграммы направленности для двух взаимно перпендикулярных плоскостей.

Направленность характеризуют коэффициентом осевой концентрации Ω.

Коэффициентом осевой концентрации называют отношение квадратов величин звукового давления, измеренных в условиях свободного поля на определенном расстоянии от рабочего центра громкоговорителя: на рабочей оси (р²_ос) и усредненного по всем радиальным направлениям (р²_θср), исходящим из рабочего центра :

Следовательно, для ненаправленных громкоговорителей коэффициент осевой концентрации равен единице, так как р_{θ ср}=р_ос, а для направленных — больше единицы (он может достигать нескольких десятков). Акустическая мощность излучателя представляет собой поток энергии через всю сферическую поверхность.

Коэффициент осевой концентрации можно определить еще и как отношение квадратов осевых значений звукового давления, развиваемых направленным и ненаправленным громкоговорителями, при условии, что они излучают одинаковую мощность, т. е.

Это определение показывает, что осевая концентрация энергии больше у того громкоговорителя, у которого при равной излучаемой мощности развиваемое звуковое давление на оси будет больше.

Коэффициент нелинейных искажений измеряют для ряда заданных частот при подведении к громкоговорителю синусоидального напряжения, соответствующего номинальноймощности, а иногда и для так называемой рабочей мощности.

КПД громкоговорителя. В паспортных данных КПД громкоговорителя обычно не приводится. Вместо него указывают стандартное звуковое давление или характеристическую чувствительность, однозначно связанные между собой и с акустической мощностью.

Осевая чувствительность громкоговорителя может быть представлена в следующем виде:

где p₁/v_м— акустическая чувствительность; v_м/F=1/Z_м — механическая чувствительность; F/i = К_св — коэффициент электромеханической связи; i/U = Z_BX — электрическая характеристика; Z_м —полное механическое сопротивление подвижной системы (модуль); Z_BX — входное электрическое сопротивление громкоговорителя (модуль); p₁ — звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя; U — подводимое напряжение к нему. В заключение приведем классификацию громкоговорителей. По принципу преобразования громкоговорители делятся на электродинамические (в просторечии - динамики), электростатические и релейные. Электромагнитные из-за низкого качества звучания теперь не применяются.

По типу излучателя громкоговорители делятся на диффузорные и рупорные, а также на одиночные и групповые. Электростатические по типу преобразователя делятся на конденсаторные, электретные и пъезо-громкоговорители. К релейным относятся только пневматические громкоговорители.

Основные элементы конструкции головки громкоговорителя

Головка громкоговорителя обычно устроена следующим образом: имеется постоянный магнит цилиндрической формы, вокруг которого располагается гильза с катушкой из тонкой лакированной медной проволоки, гильза жёстко закреплена одним концом с диффузором. Выводы с катушки могут быть закреплены непосредственно на диффузоре. Диффузор обычно имеет коническую форму, но может быть и овальным, и близким к прямоугольной форме. Соответственно, если диффузор, например, овальный, то корпус имеет также овальную форму. Связка «диффузор—катушка» может перемещаться относительно магнита в небольших пределах, при этом катушка перемещается внутри цилиндрического магнита, не касаясь его, а диффузор несколько изменяет свою форму относительно корпуса. Вся эта конструкция закреплена в специальном металлическом либо пластиковом корпусе, именуемым диффузородержателем. В конструкции более простых и дешёвых громкоговорителей, а также небольших средне- и высокочастотных громкоговорителей может применяться непосредственное крепление диффузора к корпусу, при этом по краям диффузора, около кромки корпуса, часто организуется характерная рельефная полоса. Она служит для увеличения гибкости и подвижности головки относительно него. В более качественных среднечастотных и в большинстве низкочастотных громкоговорителях применяется подвес, изготавливаемый обычно из плотной резины. Подвес представляет собой резиновое кольцо между корпусом и диффузором. Он имеет колею по всей длине окружности, это увеличивает его гибкость и уменьшает износ. Края диффузора закреплены на внутреннем крае кольца подвеса, а внешний край подвеса прикреплён к корпусу. Такая конструкция обеспечивает большой ход головки при воспроизведении сильных импульсных колебаний и при воспроизведении низких частот. Можно заметить невооружённым глазом, как диффузор низкочастотного динамика дрожит в такт басам при воспроизведении музыки. Ход диффузора и головки может достигать нескольких сантиметров и более, однако при превышении эксплуатационных параметров напряжения, подаваемого на динамик, возможно разрушение динамической системы. Помимо этого, возможно перегорание катушки вследствие чрезмерно высокого протекающего по ней тока.

В случае, если динамик проектируется как широкополосный, или по крайней мере излучающий расширенный диапазон частот, в центре диффузора часто размещается бумажный, полимерный или металлический купол. Дело в том, что если при воспроизведении низших расчётных для данного динамика частот колеблется вся поверхность диффузора, то при излучении высших частот данного динамика - только центральная часть, область около катушки. Поэтому купол служит для улучшенного воспроизведения высоких частот.

На рис. 6.4 приведен схематический, чертеж устройства динамического громкоговорителя. Принцип его действия взаимен с принципом действия динамического микрофона (см. § 4.6) и заключается в том, что катушка с намотанным на нее проводом 1 [ср. ее с 5 на рис. 5.9 а и б], находящаяся в радиальном магнитном поле (см. рис. 5.9в) при пропускании через нее переменного тока i, испытывает действие силы F = Вli, где В — индукция в зазоре; l — длина провода.

Рис. 6.4. Динамический диффузорный громкоговоритель: 1 — звуковая катушка; 2 —диффузор; 3 — подвес диффузора; 4 — корпус; 5 — шайба; 7 — магниты; 6 и 8 — фланцы; 9 — керн; 10 — кольцевой зазор; 11 — отверстия для выхода тыльного излучения.

Эта сила приводит в движение диффузор 2, жестко скрепленный с катушкой 1, называемой звуковой, и подвешенный к корпусу 4 по внешнему краю 3, а также центрируемый «шайбой» 5. Вследствие этого диффузор является поршневым излучателем и имеет одну степень свободы колебаний (только по осевому направлению). Магнитное поле создается кольцевым постоянным магнитом ¹⁾ 7 и магнитной цепью из двух фланцев 6 и 8 и керна 9. Между керном и верхним фланцем есть кольцевой зазор 10, в котором размещена звуковая катушка 1, свободно колеблющаяся в нем.

Чтобы диффузор не изгибался как мембрана, ему придают соответствующую форму. Для создания необходимой жесткости диффузору чаще всего придают форму усеченного конуса с круговым или эллиптическим основанием. Тем не менее на высоких частотах диффузор колеблется как мембрана, т. е. с изгибом его поверхности: волны изгиба двигаются от центра к периферий и обратно, создавая стоячие волны по радиусам диффузора. Для больших диаметров диффузора (около 25 см) эти колебания начинают появляться на частотах выше 1500 Гц, для меньших размеров — соответственно на более высоких частотах. Это приводит к тому, что величины излучающей поверхности, массы и гибкости подвижной системы резко изменяются при небольшом изменении частоты вынужденных колебаний диффузора. Поэтому механическую колебательную систему следует рассматривать раздельно: для низких и средних частот как простую систему с сосредоточенными постоянными и для высоких — как систему с распределенными параметрами.

Входное электрическое сопротивление громкоговорителя определяется суммой собственного сопротивления катушки z_ə и вносимого z_вн, т. е.

(6.14)

Собственное сопротивление динамического громкоговорителя состоит из активного сопротивления Rə катушки и небольшой ее индуктивности Lə.

Чувствительность определяется массой подвижной системы, индукцией в зазоре и акустической чувствительностью. Последняя для излучателей нулевого порядка почти пропорциональна частоте , поэтому чувствительность громкоговорителя на средних частотах не зависит от частоты. Если электрическое сопротивление задано, то чувствительность громкоговорителя можно повысить при одновременном увеличении длины и поперечного сечения провода, т. е. путем увеличения объема провода. А это повлечет за собой увеличение зазора, что снизит индукцию в нем. Ее можно увеличить, применив более эффективные магнитные материалы и увеличив объем, что имеет свои границы. Таким образом, налицо противоречие, разрешить которое можно компромиссным путем. Во всяком случае следует уменьшать массу второстепенных деталей и хорошо использовать объем зазора. Для этого применяют провод с прямоугольным сечением, бескаркасную намотку катушки.

При соответствующем подборе добротности механической системы (D=2÷1) можно получить чувствительность на резонансной частоте, близкую к чувствительности на средних частотах. При таком условии частотная характеристика громкоговорителя будет иметь небольшую неравномерность в диапазоне от частоты механического резонанса до частот, на которых диффузор начинает колебаться как мембрана. Ниже частоты механического резонанса чувствительность резко падает. Поскольку чувствительность зависит от массы подвижной системы, снижать частоту механического резонанса (4.2) можно только увеличением гибкости системы. Частоту снижают до тех пор, пока подвижная система не начнет терять устойчивость и не возникнет опасность появления перекосов катушки и задевания ее за стенки зазора. Практически для широкополосных громкоговорителей не удается снизить частоту механического резонанса ниже 60—70 Гц. Следовательно, нижняя граница передаваемого диапазона частот не получается ниже 50—60 Гц, а в большинстве случаев она не ниже 70—80 Гц (рис.6.7).

Частоту, выше которой диффузор колеблется как мембрана, можно повысить (при сохранении его массы и тех же размеров) путем придания ему большей жесткости. Это делают путем утолщения стенок диффузора с уменьшением их толщины к периферии. Одновременно с этим уменьшают плотность материала, например, делают его пористым (без сквозных пор). Применяется различная пропитка материала диффузора.

Рис. 6.7. Частотная характеристика диффузорного громкоговорителя

В диапазоне частот, в котором диффузор колеблется как мембрана, частотная характеристика получается очень изрезанной (см. рис. 6.7). Но так как слух человека из-за достаточно широких критических полосок слуха сглаживает частотную характеристику, то не все пики и провалы заметны на слух. Частотная зависимость осевой чувствительности громкоговорителя (без учета резких пиков и провалов) близка к равномерной до частот примерно 6000—7000 Гц (см. рис. 6.7). Это объясняется тем, что с увеличением частоты перестает колебаться внешняя часть диффузора и масса его резко уменьшается. Особенно это заметно при использовании диффузора с криволинейной формой образующей. Правда, при этом уменьшается и излучающая поверхность, но в меньшей степени. Выше 7000— 8000 Гц частотная характеристика круто падает. Все это относится к несоставным громкоговорителям, рассчитанным для работы в широком частотном диапазоне. Повысить верхнюю границу частотного диапазона до 10—12 кГц можно, например, кольцевой гофрировкой диффузора. При этом с увеличением частоты перестают колебаться один за другим внешние участки диффузора, одновременно уменьшается возможность колебания его как мембраны. Другой способ — применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Громкоговоритель с дополнительным конусом

В этом случае на высоких частотах основной диффузор перестает работать из-за относительно гибкого соединения его со звуковой катушкой, а в работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий.

Чувствительность громкоговорителя на высоких частотах можно повысить, уменьшая индуктивность звуковой катушки, например, с помощью токов Фуко, что уменьшает ее электрическое сопротивление и приводит к увеличению тока. Для этого на керн надевают насадку в виде медного колпачка с разрезом.

На низких частотах чувствительность громкоговорителя повышают с помощью фазоинвертора. Фазоинвертор (рис. 6.9) представляет собой ящик 1 (в котором расположен громкоговоритель 2 с отверстием 3 в передней стенке. Через это отверстие выходит наружу излучение с тыльной стороны излучателя.

Отверстие и объем ящика представляют собой резонатор с параллельным соединением гибкости ящика С_я с массой m_ф и активным сопротивлением r_ф (рис. 6.10а), соответствующих отверстию (эта масса равна массе воздуха в отверстии с добавлением соколеблющейся массы окружающей среды; активное сопротивление включает в себя потери на трение о стенки отверстия и его сопротивление излучения. Частоту такого резонатора подбирают равной частоте механического резонанса подвижной системы ω_м (без учета гибкости объема воздуха в ящике Ся, которая уже входит в систему резонатора).

Нижний резонанс получается на частоте f₁<f_м и определяется гибкостью подвижной системы С₁₂ и массой m_ф, верхний f₂>f_м—всей массой подвижной системы m и гибкостью объема воздуха в ящике С_я. Поскольку резонансная частота подвижной системы f_м снизилась, так как в нее уже не входит гибкость С_я [см. (4.1) и рис. 6.10а], то нижняя граница передаваемого диапазона тем самым тоже снизилась. Появление резонанса на частоте f₁ , лежащей ниже частоты резонанса подвижной системы, еще несколько сдвигает нижнюю границу передаваемого диапазона. Кроме того, на частоте резонанса f₂ скорость колебаний в цепи m_ф, r_ф, т. е, в отверстии ящика, будет находиться в фазе со скоростью колебаний лицевой поверхности диффузора, так как инвертор поворачивает фазу на 180°, а фазы волн, излучаемых лицевой и тыльной поверхностями диффузора отличаются на 180°. В результате этого тыльное излучение диффузора добавляется к лицевому излучению. На частоте механического резонанса инвертор поворачивает фазу только на 90°, поэтому тыльное излучение добавляется к лицевому в меньшей степени, а на частоте f₁ уже никакой добавки нет. Поэтому фазоинвертор повышает чувствительность громкоговорителя преимущественно на частотах выше частоты механического резонанса.

Характеристика направленности одиночных диффузорных громкоговорителей целиком определяется характеристиками излучателей поршневого типа нулевого или первого порядка в зависимости от размеров экрана или ящика, в котором помещается громкоговоритель. Коэффициент концентрации больших диффузорных громкоговорителей не превышает четырех на частотах от 1000 до 2000 Гц. Заметим для сравнения, что для миниатюрных громкоговорителей (с диаметром диффузора не более 10 см) такой коэффициент концентрации получается только на частотах около 4000 Гц.

У диффузорных громкоговорителей КПД мал из-за несогласованности сопротивления механической системы и акустического сопротивления воздуха. Недостаточно высок и КПД электромеханического преобразователя, так как у него мал коэффициент электромеханической связи. В результате этого диффузорные громкоговорители имеют стандартное звуковое давление в пределах 0,2— 0,3 Па.

Нелинейные искажения в диффузорных громкоговорителях в основном создаются из-за нелинейности механической системы в центрирующей шайбе и подвесе диффузора и из-за неравномерного распределения индукции в зазоре. Первая причина обусловлена тем, что при больших амплитудах колебаний диффузора величина изгиба центрирующей шайбы и подвеса диффузора нелинейно связана с силой, действующей на них. Вторая причина также сказывается при больших амплитудах колебаний диффузора, так как при этом звуковая катушка выходит за пределы равномерного магнитного поля в зазоре (см. [2], § 6.7). При одинаковой излучаемой мощности амплитуда скорости колебаний диффузора растет с уменьшением частоты до резонанса, около частоты которого она достигает максимального значения. Дело в том, что излучаемая мощность определяется произведением квадрата скорости колебаний на сопротивление излучения (6.10). Последнее уменьшается с уменьшением частоты. А так как амплитуды скорости колебаний υ_m и смещения χ_m связаны соотношением υ_m = ωχ_m, то амплитуда колебаний звуковой катушки резко возрастает с уменьшением частоты вплоть до резонанса. Ниже частоты резонанса амплитуда резко падает. Коэффициент нелинейных искажений на частотах около 100 Гц доходит до 10 и более процентов. Для его уменьшения применяют центрирующие шайбы, имеющие сложную конфигурацию и выполнение из специальных материалов, гофрированные подвесы, а также полюсные наконечники такой формы, при которой создается более равномерное поле в зазоре. Для маломощных громкоговорителей высоту звуковой катушки делают больше высоты зазора, вследствие чего число пересекаемых силовых линий не зависит от амплитуды колебаний, что, правда, приводит к снижению КПД, но для таких громкоговорителей это не играет роли.

Следует еще сказать о возможности появления субгармонических искажений, в результате которых создаются составляющие с частотами, равными половине частоты колебаний диффузора, т. е. субгармоники. Эти субгармоники создаются в тех случаях, когда образующая диффузора прямолинейна, т. е. когда диффузор имеет коническую форму. Чтобы уменьшить возможность возникновения субгармоник, образующей диффузора придают криволинейную форму.

Итак, назовем основные технические характеристики динамической головки,которыми являются: