Електродинамічні гучномовці, основи електроакустики

Попередня ◈ Наступна

електродинамічні гучномовці

Електродинамічний гучномовець - це гучномовець, в якому перетворення електричного сигналу в звуковий відбувається завдяки переміщенню котушки з струмом в магнітному полі постійного магніту (рідше - електромагніту) з подальшим перетворенням отриманих механічних коливань в коливання навколишнього повітря за допомогою дифузора.

Пристрій динамічного гучномовця
Подивись Гофрований гнучкий підвіс (крайової гофр, «комір») повинен забезпечувати порівняно низьку резонансну частоту (тобто мати високу гнучкість); плоскопараллельний характер руху (тобто відсутність крутильних та інших видів коливань) рухомий системи в обидві сторони від положення рівноваги і ефективне поглинання енергії резонансних коливань рухомої системи. Крім того підвіс повинен зберігати свою форму і властивості в часі і під впливом кліматичних факторів зовнішнього середовища (температури, вологості та ін.). З точки зору конфігурації (форми профілю), значно впливає на всі зазначені властивості, найбільшого поширення мають полутороідальние, sin-образні, S-образні підвіси і ін. В якості матеріалів для підвісів НЧ ГГ застосовують натуральні гуми, пенополіуретани, прогумовані тканини, натуральні і синтетичні тканини зі спеціальними демпфірувальними покриттями.

Дифузор - основний випромінюючий елемент гучномовця, який повинен забезпечувати лінійну АЧХ (Амплітудно-частотна характеристика) в заданому діапазоні частот. В ідеалі дифузор повинен працювати як поршень, здійснюючи зворотно-поступальні рухи передавати коливання звукової котушки навколишньому повітрю. Однак у міру підвищення частоти в ньому з'являються згинальні зусилля, що призводить до появи стоячих хвиль, а значить - піків і провалів резонансу на АЧХ гучномовця, і до спотворень звуку. Для того, щоб знизити вплив цих ефектів, намагаються збільшити жорсткість дифузора, одночасно використовуючи матеріали з меншою щільністю. У сучасних конструкціях для низькочастотних динаміків 8-12 "робочий діапазон простягається до 1 кГц, низькочастотних, середньочастотних динаміків 5-7" - до 3 кГц, високочастотних динаміків - до 16 кГц.
Дифузори за типом матеріалу бувають:

  • жорсткі (керамічні, алюмінієві) забезпечують найменший рівень спотворень, за рахунок меншого вигину поверхні дифузора, але при цьому у них занадто велика добротність, а значить - яскраво виражений пік резонансу. Завдання виробника - зрушити цей пік за межі робочих частот. У той же час ці динаміки займають верхні цінові позиції;
  • напівтверді (з склотканини або кевлара зі сполучною полимеризованной і запеченої смолою, «сендвічі») - компромісний варіант між м'якими і жорсткими. Дають більше спотворень, але мають більш низький викид резонансу, і як правило на більш низьких частотах;
  • м'які дифузори (поліпропіленові, поліметілпентеновие) зазвичай мають рівну АЧХ за рахунок поглинання звукових хвиль матеріалом дифузора, і м'який приємний звук майже у всьому діапазоні, але мають погані імпульсні параметри (відсутність чіткості). Крім того, м'який дифузор може кріпитися до діффузородержателя без підвісу;
  • паперові дифузори стоять особняком, тому що дають дуже характерне забарвлення звучання, для усунення якого в папір додають різні синтетичні і натуральні волокна, покривають дифузор лаком і т. д. Паперові дифузори більш прості у виробництві і дозволяють в деяких випадках робити дифузор, підвіс і ковпачок з одного матеріалу.

За формою дифузори можуть бути:

  • купольні, зазвичай застосовуються в ВЧ-динаміках;
  • конусні - поширені більш широко завдяки більшій універсальності. Майже не застосовуються лише в ВЧ-динаміках через спрямованості випромінювання. Існує кілька видів профілів конусних дифузорів:
  • лінійні є максимально жорсткими, але з максимальним значенням резонансу, коли поздовжня хвиля стиснення матеріалу від котушки резонує з поперечною хвилею коливання самої оболонки;
  • сегмент кола дозволяє згладити резонанс;
  • експонента дозволяє згладити резонанс більш ефективно.

На практиці застосовуються комбінації всіх трьох типів з метою змістити резонанс в область високих частот або розподілити його сплеск на більш широкий діапазон зменшивши амплітуду. Рідше застосовуються дифузори більш складної форми, наприклад гофровані, що поєднують в одній деталі дифузор і відразу кілька підвісів - таке рішення застосовується для малогабаритних широкосмугових динаміків з метою зменшити інтермодуляційні спотворення і розширити діапазон відтворюваних частот. Також від форми утворює і жорсткості матеріалу залежать інші важливі резонанси системи дифузор-підвіс. Всі м'які дифузори мають характерний провал і потім сплеск на АЧХ, коли коливання виходять за межі дифузора і в роботу вступає підвіс. Також потрібно враховувати, що якщо в нескінченній площині АЧХ динаміка буде рівною, то в площині шириною 200 мм на АЧХ з'явиться підйом в області 700-900 Гц, тому у дифузорів, які дають в цій області провал, в корпусі АЧХ буде рівна, і не знадобиться додаткових коригувальних ланцюгів, і деякі виробники це враховують.
Пилозахисний ковпачок - сферична оболонка, яка, виконуючи функцію захисту робочого зазору магнітної ланцюга від попадання пилу, є також окружним ребром жорсткості. Крім того, ковпачок є випромінюють елементом, що вносить свій внесок у формування АЧХ в області середніх частот. Для забезпечення конструктивної жорсткості ковпачки виготовляють, як правило, куполоподібної форми з різними радіусами кривизни. Як матеріал використовують композиції целюлози, синтетичні плівки, тканини з просоченнями. У потужних низькочастотних гучномовцях іноді використовують ковпачки з металевої (алюмінієвої) фольги, що дозволяє використовувати їх як додатковий елемент відведення тепла від звукової котушки. Але у конструкцій з ковпачками в просторі між ковпаком і котушкою виникають високодобротні резонанси, тому деякі виробники замість ковпаків ставлять фазовирівнююче «Кулі», які не вносять своїх спотворень.

Центруюча шайба Між дифузором і корпусом динаміка встановлюється спеціальна шайба, яка повинна забезпечувати стабільність резонансної частоти низькочастотних гучномовців в умовах динамічних і температурних навантажень, лінійність пружних характеристик при великих зсувах рухомий системи, запобігати зсуву звукової котушки в радіальному напрямку і «провисання» рухомий системи, а також захищати магнітний зазор від пилу. Зазвичай в низькочастотних гучномовцях використовуються центруючі шайби з синусоїдальної гофруванням (число гофр варіюється від 5-7 до 9-11), плоскі або «мостіковие». Однак в деяких моделях зустрічаються шайби більш складних конфігурацій (наприклад, тангенціальні), що забезпечують, на думку застосовують їх фірм, велику лінійність пружних характеристик, стабільність форми і т. П. В якості матеріалів для шайб застосовують натуральні тканини (типу міткалю, бязі і т . п.), просочені бакелітовим лаком, синтетичні тканини на основі поліамідів, поліестеру, нейлону і ін. в деяких низькочастотних гучномовцях застосовуються шайби, в матеріал яких вплітаються металеві (алюмінієві, мідні) нитки, котор Перші за заявами виробників покращують відведення тепла від звукової котушки.
Звукова котушка - котушка з дротом, яка знаходиться в зазорі магнітного ланцюга і забезпечує спільно з магнітною системою динаміка перетворення електричної енергії в механічну. Магнітна система динаміка зазвичай складається з кільцевого магніту і керна, в зазорі між якими рухається звукова котушка, не торкаючись стінок. Велике значення має рівномірність магнітного поля в межах ходу котушки, для чого особливим чином формуються полюса магнітів, а на керн надаватися мідний ковпачок. Для зменшення маси котушки (що особливо важливо в ВЧ-динаміках) виробники іноді застосовують алюмінієвий дріт, в тому числі з мідним покриттям. Електричний струм до котушки підводиться за допомогою гнучких проводів, які представляють собою намотану на синтетичну нитку дріт. Провід часто закріплюють на дифузорі, щоб вони при роботі не торкалися до інших частин динаміка. Протилежні кінці проводів підключені до клемної колодки, розташованої на підставі динаміка (до який припаиваются провідники електронних схем пристрою, в якому встановлений динамік). Зазвичай клеми позначені знаками «+» і «-», що дозволяє виконати правильну фазировку (синфазное включення) головок, що входять до складу акустичної системи або звуковий колонки. Дифузори головок, включених синфазно, зміщуються в кожен момент часу в одну сторону (всередину або назовні), що можна візуально проконтролювати шляхом короткочасної подачі на головки невеликого (1,5 В) постійної напруги.

Принцип роботи При подачі електричного сигналу звукової частоти, котушка виробляє вимушені коливання в поле постійного магніту під дією сили Ампера, захоплюючи дифузор і через неї створюючи хвилі розрідження і стиснення в повітрі. Зв'язка «дифузор-котушка» коливається з частотою подається струму. При малій товщині магнитопроводов, що утворюють зазор, дійсно працює тільки мала частина котушки, приблизно рівна товщині магнитопроводов зазору. Що виходять за межі зазору частини котушки майже не працюють, у таких динаміків дуже низький коефіцієнт корисної дії. Силу, що діє на котушку, можна обчислити, застосувавши закон Ампера F = B I l \. де B - індукція магнітного поля в зазорі, I - струм через котушку, l - частина довжини проводу котушки, що знаходиться в зазорі магнитопроводов. l = n \ pi d_1 \. де n - число витків котушки, що знаходяться в зазорі, d_1 - діаметр котушки. n = h / d_2 \. де h - товщина магнитопроводов, що утворюють зазор, d_2 - діаметр проводу котушки. Для підвищення коефіцієнта корисної дії динаміка необхідно збільшувати товщину магнитопроводов, що утворюють зазор, при цьому паралельно зі збільшенням зазору зменшується магнітна індукція в зазорі B, але збільшується відносна робоча частина котушки, тобто відносна робоча частина довжини проводу котушки l до деякої величини, після якої відносна робоча частина довжини проводу котушки починає зменшуватися. При зміні амплітуди електричного сигналу звуковий частоти також змінюється положення дифузора. Так як електричний сигнал звукової частоти, що подається на котушку, має частоту в межах чутності людського вуха (16-20 000 Гц), то і дифузор коливається щодо постійного магніту з такою ж частотою. Тут слід зробити зауваження, що реальна частота коливань дифузора більшості динамічних головок і прилеглих шарів повітря лежить в межах приблизно 300-12 000 Гц, причому чим менше і простіше гучномовець, тим менше цей частотний діапазон і тим менше лінійна його амплітудно-частотна характеристика. На частотах за межами цього діапазону яку випромінює потужність незначна. Для відтворення найнижчих частот (приблизно 16-250 Гц) невеликі за розмірами динамічні головки зовсім непридатні. Коливний дифузор створює в повітрі звукові хвилі, що сприймаються вухом людини. Таким чином, за допомогою динамічної головки електричний сигнал звукового діапазону частот з підсилювача перетворюється в звук. Слід повторитися, що при відтворенні найнижчих частот з частотного діапазону, відтвореного динаміком, працює вся поверхня дифузора, а при відтворенні вищих частот з частотного діапазону - тільки центральна його частина, що розташовується над котушкою. Тому в широкосмугових динаміках часто в центрі влаштовується металева, полімерна або паперова накладка - купол з метою поліпшення відтворення високих частот.

Основними технічними характеристиками динамічної головки є наступні.

Тип динамічної головки

  • повно-діапазонна (широкосмугова - ГДШ, головка динамічна широкосмугова),
  • низькочастотна (ГДН),
  • среднечастотная (ГДС),
  • високочастотна (ГДВ).

Номінальний діаметр - як правило, зовнішній діаметр діффузородержателя (рами). Рідше - діаметр підвісу дифузора або відстань між протилежними кріпильними отворами. Для компресійних драйверів - діаметр горла рупора.

Потужність - номінальна, програмна (тривала), або пікова (короткострокова) потужність, що підводиться, яку витримує головка до свого руйнування. Головка може бути зруйнована і набагато меншою потужністю, якщо динамік навантажується понад свої механічних можливостей на дуже низьких частотах (наприклад, електронна музика з великою кількістю баса або органна музика), також руйнування може бути викликано перевантаженням ( «кліпуванням») підсилювача потужності.
Імпеданс (номінальний опір) - як правило, динамічні головки мають імпеданс 2, 4, 8 або 16 Ом. Динамічні головки навушників більш високоомні (32 Ом і більше). Чим вище імпеданс головки, тим більша напруга звукової частоти потрібно підводити до голівки для досягнення номінальної потужності. Тому високоімпедансних головки можуть не розвивати максимальну потужність при роботі від УМЗЧ, що має недостатньо високу напругу харчування (портативна техніка з низьковольтних харчуванням), а нізкоімпедансние - створювати перевантаження (підсилювача і самих себе), якщо підключені до підсилювача з великим вихідним напругою, призначеним для високоімпедансних головок.
Частотна характеристика - виміряна, або заявлена ​​вихідна характеристика на заданому діапазоні частот при вхідному сигналі постійної амплітуди на всьому заданому діапазоні. Як правило, вказується межа відхилень характеристики, наприклад, «± 3 дБ». Параметри Тіля - Смолла - набір електроакустичних параметрів, що характеризують головку як коливальну систему.
Чутливість - рівень звукового тиску, вироблений динамічної головкою при подачі сигналу потужністю 1 Вт, виміряний на відстані 1 м від головки.
Максимальний рівень звукового тиску - максимальний тиск, який може розвинути головка без свого пошкодження або без перевищення заданого рівня спотворень. Залежить значною мірою від чутливості головки і її потужності. Даний параметр наводиться, як правило, як виміряний на довільному (на розсуд виробника) діапазоні частот і тип сигналу.

Потужність динамічних головок. як правило, виражається у ватах (при цьому існує PMPO (Peak Music Power Output) - пікова шумова вихідна потужність, RMS (Rated Maximum Sinusoidal) - номінальна шумова потужність, номінальна електрична потужність). ККД динаміків як правило не перевищує 1-3%. PMPO зазвичай становить сотні ват (іноді - кіловати для потужних АС), а вихідна потужність - вати, рідше десятки ват (для потужних головок), дуже рідко більше ста.
Застосування Описана класична конструкція є базовою і може застосовуватися в недорогий техніці, там, де не потрібна висока якість звуку. Для високоякісного відтворення проектуються більш складні і досконалі гучномовці. Для створення більш якісної аудіосистеми одну або кілька динамічних головок поміщають в корпус у вигляді коробки з дерева, або пластика або металу таким чином, щоб ізолювати лицьову і тильну поверхні дифузора один від одного і виключити «перетікання» повітря навколо кромки рами гучномовця (акустичне коротке замикання ). Отримане виріб називається акустичною системою. Якщо в акустичній системі є вбудований підсилювач, така акустична система називається активною, в іншому випадку - пасивної. Створення акустичних систем, що мають максимально чисте, природне і натуральне звучання - вельми трудомістка і складна задача, так як на кінцевий результат впливає безліч факторів. Пристрій електродинамічної головки завдяки властивості оборотності ідентично за принципом дії пристрою динамічного мікрофона, і, таким чином, ці пристрої можуть бути взаємозамінними. Наприклад, у багатьох конструкціях переговорних пристроїв, домофонів, і навіть в підслуховуючі пристрої, колись монтувати спецслужбами в приймачі проводового радіомовлення, як приймач звуку - мікрофона могли використовуватися динамічні головки.

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна