СОДЕРЖАНИЕ

ГОЛОВКИ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

Непременная часть любой АС — возбуждающая ее одна или несколько головок громкоговорителей.

Головки преобразуют подводимую к ним электрическую энергию сигнала — музыку и речь — в энергию колебаний их подвижных систем и далее в излучаемый звук.

Головки громкоговорителей могут различаться по способу преобразования энергии и по способу их связи с окружающей средой, которую они возбуждают.

В настоящее время известны следующие способы преобразования энергии: электродинамический, электромагнитный, электростатический, пьезоэлектрический.

Наиболее распространен электродинамический способ. Он не пользуется в таких конструктивных разновидностях: а) диффузорный, б) с куполообразной диафрагмой, в) изодинамический, г) ленточный. Существенно реже применяют электростатический и пьезоэлектрический способы.

Только отдельные образцы немногих зарубежных фирм используют ионный способ. Устарел и практически не используется электромагнитный способ.

По способу связи со средой применяются конструкции: прямого излучения, где подвижный орган (диафрагма, диффузор) излучает непосредственно в среду, и рупорные, где диафрагма излучает в среду через рупор.

Наибольшее применение в бытовых АС имеют головки прямого излучения. Рупорные же головки используются значительно реже, главным образом для воспроизведения высокочастотной части звукового диапазона (высокочастотные головки). Пример наиболее распространенной конструкции электродинамической головки приведен на Рис. 17.

Рис. 17. Электродинамическая головка прямого излучения

В кольцевом воздушном зазоре магнитной цепи, состоящей и постоянного магнита 1 и магнитопровода 2—4, в радиальном направлении проходит постоянный магнитный поток. В этом зазоре помещается звуковая катушка 5, к которой подводится переменное напряжение звукового сигнала.

Ток, проходя через катушку, взаимодействует с постоянным магнитным потоком, благодаря чему возникает сила, приводящая в колебание катушку и скрепленную с ней диафрагму (диффузор) 6. Диффузор, обычно бумажный, представляет собой конус, имеющий в основании окружность или эллипс и прямую или криволинейную образующую. По внешнему краю диффузор имеет гофрированный подвес 9. Назначение подвеса — создать диффузору возможность колебаться поршнеобразно в более широком диапазоне частот. У вершины диффузор, а вместе с ним звуковая катушка удерживаются в коаксиальном относительно зазора магнитной цепи положении с помощью центрирующей шайбы 8. Эта шайба большей частью также гофрированная, охватывает по внутреннему контуру вершину диффузора и звуковую катушку, а по внешнему — крепится к специальному кольцу. У вершины диффузора к нему прикреплен пылезащитный колпачок.

Магниты изготавливают из материалов с большой магнитной энергией. В СССР в настоящее время в основном используются четыре вида материалов. Это прессованный феррит бария марки 2БА для изготовления прессованных кольцевых магнитов. В последнее время начали выпускать, хотя и в незначительном объеме, прессованные магниты из материала 3,2БА. Максимальная удельная магнитная энергия 3,2БА в 1,6 раза больше, чем у 2БА, что дает возможность при равном объеме магнита получать индукцию в зазоре примерно в 1,25 раза большую или же иметь магнит в 1,6 раза меньшего объема.

Для литых магнитов применяют сплавы ЮНДК-24 и ЮНДК-25БА. Из первого, имеющего максимальную удельную магнитную энергию, в 2 раза большую, чем у 2БА, отливают магниты либо в форме колец (полых цилиндров), либо в форме цилиндров, используемых конструктивно как керны.

Иногда эти керны отливают с суженной в форме груши верхней частью для уменьшения утечки магнитного потока. Магниты льют (только керновые) также из сплава ЮНДК-25БА с максимальной удельной магнитной энергией, в 3 раза большей, чем у 2БА. Экономически выгоднее прессованные магниты, несмотря на то что они имеют меньшую удельную магнитную энергию. Кроме того, в них не входят дефицитные материалы. Но поскольку они составляют внешнюю часть магнитной системы, то вокруг громкоговорителей, частью которых они являются, наблюдается заметный поток рассеяния, что нежелательно, если не предусматривать специальных мер при применении этих громкоговорителей в телевизорах, где этот поток утечки искажает «картину», в радиоприемниках с магнитной антенной, где он изменяет настройку, и в магнитофонах, где при близком расположении от магнитной лепты он «зашумливает» фонограмму. Эти соображения следует иметь в виду при выборе громкоговорителя для того или иного применения. Детали магнитопровода (фланцы, керн, если он не является магнитом, полюсный наконечник) делают из магнитомягкого материала для уменьшения сопротивления магнитному потоку, например из малоуглеродистых сталей СТ-3 и СТ-10.

Звуковые катушки изготавливают из медного провода марки ПЭЛ. Витки катушки скрепляют между собой и каркасом (обычно из кабельной бумаги) клеем. Редко для звуковых катушек высокочастотных головок для уменьшения массы применяют алюминиевый провод.

Диффузор — важнейшая часть головки. Его форма и материал оказывают важное влияние на характеристики головки. В настоящее время наиболее часто для его изготовления используют сульфатную или сульфитную целлюлозу, в некоторых случаях с определенными добавками. Диффузоры изготавливают методом литья (осаждения) водной суспензии размолотых волокон целлюлозы па сетку, имеющую форму диффузора. После просушивания диффузоры подвергают уплотнению путем их прессования. В более дешевых головках вместе с диффузором отливают и подвес, конструктивно являющийся его частью, но имеющий меньшую толщину. В более дорогих головках подвес изготавливают из специальных сортов резины или латекса.

Конструкции различных диффузорных электродинамических головок имеют лишь некоторые конструктивные различия.

Конструкции рупорных головок показаны на Рис. 18, а конструкция головки с куполообразной диафрагмой — на Рис. 19.

Рис. 18. Внешний вид рупорных головок: а — секционированный рупор; б — рупор с акустической линзой; в — комбинированная система — рупорная головка совмещена с низкочастотной электродинамической головкой прямого излучения

Головка с куполообразной диафрагмой отличается от диффузорной тем, что диафрагма ее имеет форму купола, что делает ее более жесткой и более приспособленной для излучения высших частот диапазона.

Рис. 19. Устройство головки с куполообразной диафрагмой: 1 — диафрагма; 2 — звуковая катушка; 3 — магнитная цепь

Головки с куполообразной диафрагмой имеют более широкую диаграмму направленности, что очень важно для среднечастотных и высокочастотных головок. Пример конструкции ленточной головки приведен на Рис. 20.

Здесь между полюсными наконечниками 1—1 магнитной системы укреплена тонкая, толщиной в несколько микрометров, гофрированная (обычно алюминиевая) лента 2, к которой подводится через трансформатор напряжение звукового сигнала. Благодаря взаимодействию тока в ленте и магнитного потока между полюсными наконечниками лента колеблется. Она совмещает в себе функции диафрагмы и проводника с током. Ленточные головки также применяются в основном как высокочастотные. Пример конструкции изодинамической головки приведен на Рис. 21.

Она состоит из магнитной системы и диафрагмы. Оригинальная магнитная система, в свою очередь, состоит из двух дискообразных магнитов, например из феррита бария, намагниченных таким образом, что каждый из них имеет три пары полюсов. Скажем, центральная часть, ограниченная окружностью, имеет полярность N, следующая кольцевая 5 и наружная кольцевая N. Таким образом, по поверхности магнита проходят два радиальных магнитных потока. Так же намагничен второй магнит. Магниты во всей своей плоскости перфорированы, для того чтобы обеспечить проход звука через отверстия при колебаниях диафрагмы из синтетической пленки, натянутой между магнитами на равных расстояниях от поверхности каждого из них. Па пленку нанесен проводник в виде спирали. В том месте, где встречаются противоположно направленные потоки (окружность, проходящая через точку А на Рис. 21), витки опирали начинают идти в обратном направлении. Таким образом, сохраняется одно и то же взаиморасположение магнитного поля и электрического тока. Благодаря тому, что диафрагма такой головки возбуждается по всей поверхности, она очень эффективна, имеет весьма равномерную частотную характеристику. Однако конструкция изодинамических головок довольно сложна, и они редко применяются в практических конструкциях бытовых АС.

Принцип действия электростатических головок (pиc. 22) заключается в том, что между двумя перфорированными пластинками 2 — неподвижными электродами, располагается подвижный электрод 1 обычно в виде металлизированной пленки. На подвижный электрод подаются переменное напряжение от источника токов звуковой частоты и постоянное поляризующее напряжение, в несколько раз большее переменного, что необходимо как для повышения чувствительности, так и для уменьшения специфических для электростатического способа преобразования нелинейных искажений по второй гармонике. В зависимости от мгновенной полярности по переменному напряжению подвижный электрод притягивается то к одному, то к другому неподвижному электроду. Получаемые таким образом колебания через перфорации неподвижных электродов возбуждают окружающую воздушную среду. Электростатические головки большей частью выполняют как системы, непосредственно излучающие в среду. Значительно реже применяют электростатические рупорные головки. Для излучения достаточной акустической мощности необходимо, чтобы амплитуда колебаний подвижного электрода, особенно на низких частотах, была достаточно большой. Но для этого необходимо, чтобы был достаточно велик зазор между подвижным и неподвижные электродами. Отсюда следует, что электростатическая головка малых размеров годится только для воспроизведения высоких частот. Для перекрытия широкого диапазона частот целесообразно применять многополосные головки, т. е. совокупность головок, каждая из которых воспроизводит только часть диапазона частот. Поэтому для воспроизведения низких частот и всего диапазона в целом электростатические головки должны иметь большие площади, хотя толщина конструкции может быть сравнительно небольшой.

Преимущества электростатических преобразователей состоят в том, что они возбуждаются по всей поверхности подвижного электрода, благодаря чему все его точки колеблются синфазно, и он излучает всей поверхностью, что особенно важно при излучение высоких частот. Поэтому частотная характеристика электростатических преобразователей является весьма протяженной в сторону высоких частот по сравнению с преобразователями, построенными на других видах преобразования. Недостатками электростатических головок являются прежде всего, как уже упоминалось, специфические для них виды нелинейных искажений во второй гармонике, возникающие из-за того, что сила электростатического притяжения пропорциональна не приложенному к электродам напряжению, а его квадрату. Эти искажения значительно уменьшаются при применении напряжения поляризации и использовании изображенной выше дифференциальной конструкции. Но дифференциальная конструкция дает необходимый эффект только при высокой степени симметрии расположения подвижного электрода между неподвижными. Должна соблюдаться и электрическая симметрия, т. е. равенство подаваемых на оба неподвижных электрода напряжений.

Не всегда удобно и то, что электростатические головки для воспроизведения широкого частотного диапазона должны иметь большую излучающую поверхность. Это, кроме конструктивных неудобств, приводит к тому, что характеристика направленности такой головки зависит от частоты, сильно обостряясь с ее повышением. Это можно устранить, составляя головку из отдельных сравнительно узких панелей, располагаемых в горизонтальной плоскости (например, по дуге окружности). Существенный недостаток электростатических головок состоит также в том, что они являются для питающих их усилителей емкостной нагрузкой, сопротивление которой 1/ωC падает с частотой, и требуют дополнительного источника высокого напряжения. Все это усложняет построение усилителя.

Поэтому электростатические головки в настоящее время распространены сравнительно мало, хотя их выпуск в зарубежных странах и растет. Наибольшее распространение электростатические головки получили там в качестве высокочастотных элементов многополосных систем.

Появившиеся в последние годы (электростатические) электретные преобразователи имеют то преимущество, что здесь нет необходимости в источнике поляризующего напряжения, поскольку электроды несут на себе постоянный и довольно стабильный во времени электрический заряд.

Одним из других способов преобразования, применяемых в головках, является пьезоэлектрический, ставший более используемым благодаря появлению эффективных пьезоэлектрических пленок. Здесь также не требуется напряжения поляризации. В остальном же и электретные, и пьезоэлектрические преобразователи обладают в принципе теми же свойствами, что и электростатические. Следует упомянуть и о том, что бытовые электростатические, электретные и пьезоэлектрические АС являются двусторонними излучателями, т. е. имеют восьмерочную характеристику направленности. Поэтому их рекомендуется не располагать у стен помещения, а устанавливать где-то посередине его.

Рассмотрев принципы устройства головок разных видов преобразования энергии, остановимся несколько подробнее на наиболее распространенном виде — электродинамическом. Подвижная система этого преобразователя, в особенности на низших частотах, может считаться простой колебательной системой, имеющей три основных параметра — массу m₀, гибкость c₀ и активное механическое сопротивление r₀. Рассчитаем СЗД такой головки диаметром d со звуковой катушкой с длиной проводника l, находящейся в воздушном зазоре, где имеет место индукция В. Так как СЗД определяется для мощности 0,1 Вт, то соответствующее этой мощности электрическое напряжение, исходя из соотношения 0,1=U²/R₁, будет U=√0,1R. Используя это соотношение и применяя выражения (15), (19), (4) и (6) и полагая r=1м, получаем

Здесь К — коэффициент концентрации введен под радикал, чтобы учесть, что излучение может быть направленным. Далее можно написать

Величину Q называют добротностью

Физически эта величина характеризует, насколько быстро затухают колебания в возбужденной колебательной системе. Используя это обозначение и беря модуль выражения z_m+B²l²/R, получаем

Значения r_н и К зависят от того, излучает ли головка в обе стороны или односторонне.

Если головка излучает в обе стороны, используя (20) и (22) и учитывая, что при этом К=3, получаем после несложных преобразований

Соответственно для одностороннего (ненаправленного) излучения (К=1), используя также (20) и (22), получаем

Анализ этих формул приводит к следующим выводам: форма частотной характеристики двустороннего излучателя зависит от добротности. Если, то частотная характеристика имеет вид, показанный на Рис. 23 (кривая 1), т. е. монотонно возрастает теоретически до бесконечности.

Рис. 23. Частотные характеристики электродинамической головки с двусторонним излучением

Однако практически такой ход будет иметь место только до верхней границы f_гр поршневого диапазона, которая определяется соотношением

f_гр=1,4с/(πd) (27)

или, учитывая, что скорость звука в нормальных условиях 343 м/с: f_гр=154/d (где d, м). Для эллиптических головок вместо диаметра d надо подставлять √d₁d₂, где d₁ и d₂ соответственно значения большой и малой осей эллипса.

Иная картина будет, если Q>1,93. Ход частотной характеристики в этом случае изображен кривой 2 на Рис. 23. Как видно, здесь будет иметь место пик и провал. Разность из уровней будет тем больше, чем больше добротность. Эта зависимость представлена графически кривой N на Рис. 24.

Рис. 24. Разности уровня пика и провала и отношение их частоты к резонансной частоте в зависимости от добротности

Там же изображено отношение ω₀/ω₁частоты пика ω₁ к резонансной частоте ω₀ в зависимости от добротности и отношение частоты провала ω₂ к резонансной частоте ω₀.

При ненаправленном излучении ω>ω₀ (26), т. е. когда колебательная система управляется массой, стандартное звуковое давление становится частотно-независимым. Однако ход частотной характеристики стандартного звукового давления в околорезонансной области сильно зависит от добротности (Рис. 25).

Рис. 25. Частотные характеристики закрытой АС с различной добротностью

При Q = 1 эта характеристика имеет наиболее равномерный ход. При Q>1 на ней появляется пик тем более высокий, чем больше добротность.

Чаще всего в литературе рекомендуется Q = 0,707, на резонансной частоте при этом имеет место спад 3 дБ, при Q = 0,5 спад равен 6 дБ. При Q≤0,5 колебательная система становится апериодической, т. е. неспособной к свободным колебаниям при ее возбуждении.

Кроме величины СЗД и частотной характеристики электродинамической головки существенный интерес представляет также ее электрическое сопротивление и его зависимость от частоты — частотная характеристика модуля полного электрического сопротивления головки, часто называемого Z-характеристикой. Обычный вид такой характеристики представлен на Рис. 26.

Рис. 26. Частотные характеристики модуля полного электрического сопротивления электродинамической головки

Ее ход объясняется следующим образом. На самых низших частотах полное электрическое сопротивление почти, не отличается от сопротивления звуковой катушки постоянному току. По мере повышения частоты и ее приближения к резонансной частоте полное сопротивление увеличивается за счет прибавления вносимого сопротивления [см. (17)] и достигает максимума на частоте резонанса, поскольку на ней механическое сопротивление минимально.

Действительно,

Величина ω₀m₀/B²l²R носит название электрической добротности Q. Величина ω₀m₀/r₀ — механической добротности Q_M. Эти величины связаны с полной добротностью Q подвижной системы соотношением: 1/Q=1/Q_э+1/Q_м

Используя эти соотношения, имеем

Модуль этого выражения

Обычно Q_M довольно велико, a Q_э — мало. Отсюда на резонансе, где ω=ω₀, величина Z_ω0>>R. Далее полное сопротивление опадает почти до сопротивления постоянному току. По мере дальнейшего повышения частоты полное электрическое сопротивление растет за счет того, что начинает проявляться индуктивное сопротивление звуковой катушки. Как будет видно дальше, характеристика электрического сопротивления оказывается полезной для анализа работы головки.