Устройство головок громкоговорителей
В настоящее времянаибольшее распространение получили головки громкоговорителейэлектродинамической системы, прямого излучения с коническим или купольнымдиффузором. Первые модели таких головок появились в 1924 г. Внешний вид головки показан на рис.1, а её схематический чертеж – на рис. 2.
/>
Рисунок 1.
/>
1 – звуковая катушка, 2 –диффузор, 3 – гофрированный подвес диффузора, 4 – диффузородержатель, 5 –центрирующая шайба, 6- передний фланец, 7 – магнит, 8 – задний фланец, 9 –керн, 10 – кольцевой зазор, 11 – отверстия.
Рисунок 2.
Источник электрическихсигналов создаёт в звуковой катушке ток. В результате взаимодействия тока смагнитным полем в кольцевом зазоре возникает сила />,пропорциональная величине тока />,приложенная к проводникам звуковой катушки и направленная вдоль оси диффузора.Эта сила вызывает механические колебания диффузора и, в конечном результате,создание диффузором звуковых волн.
/>
/>
/> Для анализа свойствтакой системы составим её эквивалентную электрическую схему.
Введем обозначения: /> - масса подвижной системыголовки, включающая массу звуковой катушки, диффузора и присоединенную массувоздуха; /> — гибкость подвеса,учитывающая гибкость гофра, центрирующей шайбы и воздуха под защитнымколпачком; /> - коэффициент трения,учитывающий трение в гофре, центрирующей шайбе и кольцевом зазоре. Используяметодику строим эквивалентную электрическую схему./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>
/> /> /> />
/> />
/> /> /> /> /> /> />
Эквивалентнаяэлектрическая схема головки громкоговорителя.
Рисунок 3
Определим входноесопротивление головки. Для этого пересчитаем механические сопротивления вэлектрическую часть схемы:
/>
В знаменателе стоит суммапроводимостей трех элементов: активного />,ёмкости /> и индуктивности />. Следовательно, этиэлементы соединены параллельно. Таким образом, эквивалентная схема приводится квиду (см. рис. 4):/> /> /> /> /> /> /> />
/> />
/> /> /> /> />
Рисунок 4.
Теперь нетрудно вычислитьвходное сопротивление головки громкоговорителя:
/>/>.
Как видим, входноесопротивление головки зависит от частоты. Типичный график этой зависимостипоказан на рис. 5.
/>
Зависимость модуляполного сопротивления головки громкоговорителя электродинамической системы отчастоты.
Рисунок 5
На частоте /> наблюдается максимумполного сопротивления головки громкоговорителя, обусловленный механическимрезонансом подвижной системы.
Эту частоту называют частотойосновного резонанса. Она является одной из важнейших характеристик головки иприводится в справочниках. На частоте /> наблюдаетсяминимум модуля полного сопротивления, который обусловлен последовательнымрезонансом.
Значение сопротивления начастоте /> указывается в справочникахкак номинальное электрическое сопротивление. На частотах выше частотыпоследовательного резонанса модуль полного сопротивления головки монотоннорастет благодаря увеличению индуктивного сопротивления звуковой катушки.
Определим теперь величинузвукового давления, создаваемого головкой громкоговорителя на её оси. Будемполагать, что:
— головкагромкоговорителя работает в поршневом режиме,
— головкаустановлена в бесконечно протяженном плоском экране,
— точка наблюдениянаходится на достаточно большом расстоянии от головки />.
Амплитуда звуковогодавления на оси головки:
/>,
где /> - амплитуда скоростиколебаний, />площадь излучающейповерхности диффузора. В свою очередь сила />,действующая на диффузор, определяется выражением:
/>.
Подставив эти величины в выражениедля амплитуды, получим:
/>.
Звуковое давление зависитот частоты. Для облегчения анализа выражения частотный диапазон можно разбитьна четыре области, в каждой из которых это выражение упрощается.
1. /> . В этой области амплитудазвукового давления:
/>
растет с увеличением частоты пропорциональноквадрату частоты, т. е. со скоростью 12 дБ/октаву.
2. />. В районе частотыосновного резонанса:
/>,
т.е. растет пропорционально первойстепени частоты (6 дБ/октаву).
3. />. В области средних частот:
/>
не зависит от частоты.
4. />, где /> - верхняя частота рабочегодиапазона головки. В этой области:
/>
звуковое давление убывает обратно пропорциональночастоте, т. е. со скоростью –6 дБ/октаву.
Объединив эти четыре зависимости,можно представить амплитудно – частотную характеристику (АЧХ) идеальной головкигромкоговорителя (см. рис. 6).
/>
АЧХ идеальной головкигромкоговорителя.
Рисунок 6
АЧХ звукового давленияреальной головки отличается от АЧХ идеальной головки неравномерностью, котораяпоявляется из-за образования на поверхности диффузора стоячих волн принекоторых значениях частоты. АЧХ реальной головки громкоговорителя 6ГДШ-3изображена на рис. 7.
/>
Рисунок 7
Из рис. 7 следует, чтоголовка громкоговорителя плохо излучает на частотах ниже частоты основногорезонанса. Это необходимо учитывать при подборе головок для акустическойсистемы.
С АЧХ головки громкоговорителясвязаны такие понятия как неравномерность частотной характеристики, эффективновоспроизводимый диапазон частот и эффективный рабочий диапазон частот.
Неравномерностьючастотной характеристики называют разность максимального и минимального уровнейзвукового давления в заданном диапазоне частот (пики и провалы характеристики ỳже1/9 октавы не учитываются).
Эффективновоспроизводимый диапазон частот – диапазон частот, в пределах которого уровеньзвукового давления, создаваемого громкоговорителем на оси, понижается на 10 дБпо отношению к среднему в октавной полосе частот в области максимальнойчувствительности.
Эффективный рабочийдиапазон частот – диапазон частот, внутри которого АЧХ громкоговорителя невыходит за пределы заданного поля допусков.
Энергетическиехарактеристики головки громкоговорителя. Энергетическими характеристиками громкоговорителя являются: номинальнаяи паспортная мощность.
Номинальная мощность –электрическая мощность, при которой нелинейные искажения не превышают заданнойвеличины.
Паспортная электрическаямощность определяется тепловой и механической прочностью головки. Это –максимальная мощность, которую может выдержать без разрушений головкагромкоговорителя в течение 100 часов при подведении сигнала типа розового шума.
В рекомендациях МЭКиспользуют ещё несколько понятий мощности, из которых часто встречается P.M.P.O. – Peak Music Power Output.
Термин музыкальнаямощность /> /> кратковременная мощность –мощность специального шумового сигнала, которую головка выдерживает безповреждений в течение 1 с 60 раз с интервалом 1 мин.
Важной характеристикойголовки громкоговорителя является коэффициент полезного действия/> — отношение акустическоймощности к подводимой электрической мощности. Для головки электродинамическойсистемы, пренебрегая механическими потерями, можно получить
/>,
где /> - удельное сопротивление; /> - объём, занятый проводомзвуковой катушки; /> - индукция вкольцевом зазоре. Как видим к.п.д. зависит от частоты.
Для получения равномерныхАЧХ желательно, чтобы к.п.д. оставался постоянным в максимально широкомдиапазоне частот. В случае головки, установленной в экране, это возможно привыполнении условий: /> и />. Тогда:
/>,
т.е. /> не зависит от частоты.Получение постоянного к.п.д. возможно только на частотах выше частоты основногорезонанса и сопротивление излучения должно быть малым. К.п.д. реальныхгромкоговорителей обычно около 1 %.
Нелинейные искажения. Головки громкоговорителяэлектродинамической системы создают нелинейные искажения. Причинами,вызывающими появление искажений являются нелинейность гибкости подвесадиффузора и неоднородность магнитного поля в кольцевом зазоре. Величинанелинейных искажений оценивается коэффициентом гармонических искажений />.
/>,
где /> - звуковое давление,создаваемое /> — й гармоникой сигнала, /> — полное звуковое давлениесигнала. Коэффициент гармонических искажений зависит от частоты. Т.к. дляподдержания постоянной величины звукового давления размах колебаний диффузорадолжен увеличиваться с понижением частоты, то коэффициент гармоническихискажений на низких частотах больше, чем на средних и высоких частотах. Поэтомукоэффициент гармонических искажений измеряют и указывают значения для двух –трех частот. На низких частотах значения KГ могут достигать 10 % иболее, на средних частотах KГ обычно не превышает 1 – 2 %.
Кроме головокэлектродинамической системы в настоящее время используют головкиэлектростатической системы. Схематический чертеж приведен на рис. 8.
Реальная головка состоитиз двух перфорированных электродов из металлизированного стеклотекстолита (илидругого подобного материала), между которыми натянута металлизированнаялавсановая пленка-мембрана, изолированная от электродов прокладками (см. рис.8). Такая конструкция /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>
Устройство головкигромкоговорителя электростатической системы
Рисунок 8
Наличие двухперфорированных электродов позволяет компенсировать постоянную составляющуюсилы, действующей на мембрану.
Акустическая система,созданная на базе таких головок позволяет воспроизводить диапазон частот 50 /> 25000 Гц снеравномерностью /> дБ (например,акустическая система 25АСЭ-101). Недостатком конструкции можно считатьнеобходимость подавать высокое (1 – 3 кВ) постоянное напряжение на электроды.