Громкоговорители (динамические головки) – параметры, маркировка и включение
Громкоговорители сейчас чаще называют сокращенно по названию одного из широкораспространенных типов громкоговорителей, электродинамического — «динамик». Основные конструкции громкоговорителей такие же как и у телефонных наушников, но есть и оригинальные конструкции.
Громкоговоритель обычно состоит из двух основных частей: головки и акустического оформления. Головка громкоговорителя преобразует электрические сигналы в акустические и является самостоятельным узлом громкоговорителя.
Громкоговорители могут содержать одну или несколько излучающих головок, необходимое акустическое оформление, пассивные электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и др.). Применение акустического оформления позволяет повысить качество излучения звука.
Головки различаются как по принципу действия, так и по конструкции.
Громкоговорители и электроакустические головки характеризуются такими основными параметрами: номинальной мощностью, номинальным диапазоном частот, частотной характеристикой, полным электрическим сопротивлением, стандартным звуковым давлением и др.
Громкоговорители обычно делят по следующим основным признакам:
- принципу электромеханического преобразования сигналов в акустические;
- типу РЭА, где они используются;
- ширине воспроизводимого диапазона частот;
- величине сопротивления звуковой катушки;
- конструкции механико-акустической системы.
В настоящее время наиболее широкое распространение имеют электродинамические, электростатические, ленточные и изодинамические громкоговорители.
Электродинамические громкоговорители
Электродинамические громкоговорители катушечного типа имеют наибольшее распространение. Принцип их действия основывается на взаимодействии магнитных полей токов звуковой катушки и постоянного магнита. В зависимости от величины тока в катушке происходят ее колебания.
Диффузор, жестко соединенный со звуковой катушкой, повторяет эти колебания и заставляет колебаться окружающий воздух, создавая тем самым звуковые волны. В зависимости от способа создания магнитного поля различают громкоговорители с постоянным магнитом и с подмагничиванием. Преобладающими в РЭА являются электродинамические головки прямого излучения (диффузорные).
Классификация этих головок обычно производится в зависимости от воспроизводимого диапазона частот:
Широкополосные…..от 50…100 Гц до 16…20 кГц. Для улучшения воспроизведения высших частот такие головки часто имеют дополнительный диффузор в виде небольшого конуса, вклеенного в основной диффузор головки. Головки с номинальной мощностью 3…4 Вт воспроизводят наиболее широкий диапазон частот, а малой мощности — более узкий.
Низкочастотные……..от 20…40 Гц до 500… 1000 Гц, головки имеют значительные размеры и рассчитаны на подведение электрической мощности 5…50 ВЧА. Эффективность излучения низших частот возрастает с увеличением размера диффузора и повышения гибкости подвижной системы.
Среднечастотные…… 300…500 Гц до 5000…8000 Гц.
Высокочастотные….. 1000…5000 Гцдо 16000…30000 Гц.
Мощность среднечастотных и высокочастотных головок меньше, чем у широкополосных. Это связано с тем, что в реальном звуковом сигнале, содержащем речь, музыку, максимальную энергию несут звуки низших частот.
Использовать электродинамические головки прямого излучения без акустического оформления не рекомендуется. В этом случае происходит резкое ослабление излучения низших частот звукового диапазона.
Головки прямого излучения электродинамического типа имеют достаточно высокие параметры и относительно просты по конструкции. И это при том, что КПД у них довольно низкий и меньше, чем у электромагнитных головок.
Маркировка
Маркировка отечественных громкоговорителей основывается на буквенно-цифровой системе.
В нее входят несколько элементов: на первом месте стоит цифра, указывающая номинальную мощность в вольт-амперах, на втором —- буква Г — громкоговоритель, за ней буква, соответствующая типу электромеханической системы преобразования электрических сигналов в акустические (Д — динамическая, J1 — ленточная, Э — электростатическая, П — пьезоэлектрическая и т.д.).
Цифры (одна или две), стоящие после этих букв, обозначают номер разработки громкоговорителя данного типа. После номера иногда стоят цифры, соответствующие частоте механического резонанса подвижной системы в герцах. В конце маркировки встречаются буквы Т или Е (Т — тропическое исполнение, Е — для работы при повышенных вибрациях).
Отечественная промышленность выпускает громкоговорители разных типов, различной мощности в зависимости от их применения: для массовых приемников, телевизоров и магнитофонов, для вещания на площадях, улицах и для прочего. Радиолюбители при конструировании радиоэлектронной аппаратуры чаще используют электродинамические громкоговорители, так как они являются более доступными в плане приобретения.
Качество работы громкоговорителя обычно проверяют на слух. Для этого прослушивают качественную фонограмму при достаточной громкости. Звуковоспроизведение должно быть чистым. Не должно быть заметных частотных искажений, хрипов и дребезжания (нелинейные искажения).
У хороших громкоговорителей неравномерность частотной характеристики не превышает 10 дБ. Для низкочастотных и широкополосных головок частота резонанса в зависимости от конструкции составляет 30… 100 Гц. Ниже частоты резонанса головка практически не излучает звук. Поэтому, чем ниже частота резонанса, тем лучше качество головки.
Наиболее низкую частоту резонанса имеют головки с резиновым гофром диффузора.
Схемы включения громкоговорителей в каскады радиоэлектронных устройств
Громкоговорители могут включаться в радиоэлектронные схемы с помощью трансформатора, конденсатора или непосредственно в выходную цепь. Включение громкоговорителей через трансформатор в транзисторный УЗЧ показано: на рис. 3.14 — однотактный выходной каскад, рис. 3.
15 — двухтактный выходной каскад, трансформатор Т1 намотан на сердечнике из пермаллоя 1114×6 мм, обмотки Іа и Іб содержат по 200 витков ПЭВ-2 0,12, а II обмотка имеет 90 витков ПЭЛ 0,25. Автотрансформаторное включение громкоговорителя (рис. 3.
16) позволяет повысить мощность выходного каскада примерно в 1,5 раза по сравнению с трансформаторным и расширить полосу воспроизводимых частот до 150… 10000 Гц. В схеме трансформатор Т1 и автотрансформатор Т2 намотаны на сердечниках из пермаллоя ШЗхб мм.
Трансформатор Т1 намотан проводом ПЭЛ 0,06, I обмотка содержит 1580 витков, II обмотка — 800 витков с отводом от середины. Автотрансформатор Т2 имеет общее число витков 1000, с отводами от 400, 500 и 600 витков. Секции намотаны проводом: 1-2 ПЭЛ 0,09, 2-3, 3-4 ПЭЛ 0,21, 4-5 ПЭЛ 0,09.
Громкоговоритель можно включать в УЗЧ и без выходного трансформатора. Варианты включения громкоговорителя без трансформатор^ в транзисторные УЗЧ показаны на рис. 3.17. В схеме рис. 3.
18 в качестве громкоговорителя использован наушник ДЭМ-4М, а в схеме рис. 3.19 — самодельный громкоговоритель на базе электромагнитного микрофона ДЭМШ-1 А. К мембране микрофона припаяна игла, которая соединяется с диффузором. Интересна схема рис. 3.
20, где в коллектор и эмиттер выходного транзистора включены громкоговорители.
Включение громкоговорителя в двухтактный бестрансформаторный транзисторный УЗЧ показано на рис. 3.21. Некоторые такие схемы рассчитаны на высокоомные громкоговорители (рис. 3.22, а). В этой схеме переходной трансформатор Т1 намотан на сердечнике LL14 с толщиной набора 9 мм.
Все обмотки трансформатора намотаны проводом ПЭВ 0,06, первичная обмотка I содержит 2500 витков, а каждая из вторичных обмоток II и III содержат по 350 витков.
В принципе можно использовать готовый переходной трансформатор от любого малогабаритного транзисторного радиоприемника, разделив его вторичную обмотку на две изолированные секции. Если нет такого громкоговорителя и конденсатора большой емкости, то имеющийся низкоомный громкоговоритель включают по схеме рис. 3.
22, б. В этой схеме трансформатор Т1 намотан на сердечнике Ш4х8 мм, I обмотка — 900 витков ПЭВ 0,09, II — 100 витков ПЭВ 0,23. У вторичной обмотки делается несколько выводов с целью лучшего согласования с нагрузкой.
С аналогичной целью используется автотрансформатор в УЗЧ с двухтактным выходным каскадом на транзисторах одной проводимости, схема которого представлена на рис. 3.23. Трансформатор Т1 намотан на сердечнике ШЗхб мм, обмотка содержит 200 витков провода ПЭВ-1 0,23 с отводом от середины.
Рис. 3.14. Принципиальная схема однотактного транзисторного УЗЧ с трансформаторным выходом
Рис. 3.15. Принципиальная схема двухтактного транзисторного УЗЧ с трансформаторным выходом
Рис. 3.16. Принципиальная схема двухтактного транзисторного УЗЧ максимальной мощностью 0,150 Вт с автотрансформаторным включением громкоговорителя
Рис. 3.17. Принципиальная схема однотактного транзисторного УЗЧ с непосредственным включением громкоговорителя:
а — в эмиттерную цепь выходного транзистора; б — в коллектор выходного транзистора с питанием 1,5 В
Рис. 3.18. Принципиальная схема однотактного транзисторного УЗЧ с использованием электромагнитного микротелефонного капсюля ДЭМ-4М в качестве громкоговорителя
Рис. 3.19. Принципиальная схема однотактного транзисторного УЗЧ с использованием громкоговорителя, изготовленного на базе электромагнитного микрофона ДЭМШ- 1А
Рис. 3.20. Принципиальная схема однотактного транзисторного УЗЧ с непосредственным включением двух громкоговорителей, одного в коллектор, а другого в эмиттер выходного транзистора
Рис. 3.21. Принципиальная схема двухтактного транзисторного УЗЧ максимальной мощностью 0,5 Вт с бестрансформаторным выходом и двумя источниками питания
Рис. 3.22. Принципиальная схема двухтактного транзисторного УЗЧ максимальной мощностью 0,1 Вт с бестрансформаторным выходом, с одним источником питания:
а — включение громкоговорителя через конденсатор С4 большой емкости, б — включение громкоговорителя через конденсатор С1 небольшой емкости
Рис. 3.23. Принципиальная схема транзисторного УЗЧ с максимальной мощностью 0,16 Вт с двухтактным выходным каскадом на транзисторах одной проводимости и включением громкоговорителя через автотрансформатор
Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.
Принцип работы динамической головки ( динамика )
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГОЛОВКИ
Принцип работы динамической головки будет наиболее понятен, если головку собрать с самого начала, ПО ПОРЯДКУ.
Для этого потребуется кольцевой магнит с полюсами, расположенными с плоской стороны кольца:
Магнитное поле в таком магните будет распологаться следующим образом:
Теперь с задней стороны закроем магнит стальным, магнитомягким листом, круглой формы и диаметром равным, диаметру магнита
Магнитное поле уже не будет излучаться в окружающую среду, а пойдет по стальному листу, который теперь выступает в роли магнитопровода:
Таким же листом закроем магнит с передней части, только в этом листе должно быть отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру магнита:
Магнитное поле и с этой стороны замыкается, но магнитные линии внутри магнита нужно распередедить более равномерно, поэтому внуть вставим стальной цилиндр.
Диаметр цилиндра должен быть меньше внутреннего диаметра магнита, причем разница в диаметрах зависит от конструктива используемой магнитной катушки.
Введение цилиндра так же способствует концентрации магнитного в получившимся зазоре, покольку разрывает магнитопровод:
Далее в зазор помещается катушка индуктивности, причем величина на которую катушка уходит внутрь магнитного зазора равна половине высоты катушки, т.е. катушка погружается ровно на половину своей высоты. Такое расоложение катушки необходимо для обеспечения одинакового хода катушки как внутрь магнитной ситемы, так и наружу:
Теперь, если к катушке подключить источник напряжения, то катушка будет выталкиваться. если ее магнитное поле будет одной полярности с магнитным полем магнита:
или втягиваться, если ее магнитное поле будет противоположным магнитному полю магнита:
Теперь закрепим катушку на жектском цилиндре, а его соединим с бумажным конусом:
При движении катушки в магнитном зазоре это движение будет передавать конусу и тот будет вызывать механическое движение воздуха, т.е. появится звук. Конус называется дифузором и может быть выполнен не только из бумаги, но об этом несколько позже.
Катушка по сути ничем не закреплена, следовательно она может ударяться и о магнит и о стальной цилиндр, находящийся внутри магните и именуемый керном.
Для того, чтобы исключить эту неприятность катушку фиксируют в простренсте при помощи центрирующей шайбы – спайдера, а с широкой стороны конуса, по периметру крепится дифузородержатель:
И магнит, и дифузор крепятся к корзине – магнит либо приклеевается, либо прикручивается винтами. Диффузор приклеивается, точнее не диффузор, а диффузородержатель и спайдер:
Со стороны диффузора остается отверстие и его нужно закрыть, чтобы избежать попадания внутрь пыли и мелкого мусора:
Для этого используется защитный колпачок. Однако эта технологическая деталь выполняет еще одну функцию – она отвечает за воспроизведение высокочастотной составляющей звукового сигнала. Причина такого разделения труда чисто механическая.
Для воспроизведения ВЧ сигнала необходима небольшая амплитуда, но слишном быстрое возвратно-поступательное движение дифузора. Если дифузор будет слишком тонким, значит он будет легким и решение воспроизведения вроде бы обеспечено.
Однако если дифузор будет тонким он будет слишком мягким и не сможет полноценно воспроизводить НЧ составляющую, где необходимо использование всей площади дифузора. Дифузор попросту будет гнуться в середине:
Поэтому производители идут на различные компромисы – сами дифузоры могут состоять из нескольких компонентов, например на пропитанную бумагу напыляется алюминий, а защитный колпачок делается из более жесткого материала, его форма изготавливается таким образом, чтобы обеспечить максимальную отдачу на ВЧ. В данном примере бумажный дифузор оснащен пластиковым, металлизированным защитным колпачком:
Иногда, чтобы еще больше усилить отдачу динамической головки на ВЧ используют защитные колпачки в виде рупора, выполненного из бумаги, но пропитанного более жесткой пропиткой и высушенного под бОльшим давлением:
Осталось подключить катушку дифузора к клеммам, и делается это многожильным, мишурным проводом, устойчивым к многократным перегибам:
Обычно вывода катушки тянутся по диффузору примерно до середины его диаметра и запаиваются в специально заштампованные в диффузор клеммы-заклепки.
К этим клемма и подпаивается один конец мишурного провода, а второй подпаивается к установленной на корзине клеммной колодке.
К колдке подпаиваются, или подключаются через специальные самозажимные клеммы провода, идущие на клеммы, установленные на корпусе АС.
Динамические головки работающие во всем диапазоне звуковых частот называются широкополосными и при их производстве приходится решать множество проблем, позволяющих действительно получить более-менее линейную АЧХ. Однако есть еще один вариант решения проблемы воспроизведения всего звукового диапазона – использование нескольких динамических головок:
Каждая динамическая головка предназначена для воспроизведения только своего частотного диапазона, а акустические системы, использующие такие головки называются многополосными.
Большие динамические головки в таких системах отвечают за воспроизведение НЧ и СЧ диапазона, их паспортная мощность значительно превышает мощность маленьких головок, отвечающих за воспроизведение СЧ и ВЧ диапазона.
Разделение сигнала, подаваемого на головки призводится либо пассивными фильтрами, устанавливаемыми внутри акустической системы, либо фильтры ставятся до усилителей мощности, но в этом случае требуются бОльшие затраты, поскольку для каждой динамической головки требуется свой усилитель.
Разумеется, что у каждого из способов есть свои плюсы и свои минусы. При использовании пассивных фильтров возникают проблемы согласовани динамиков по фазе, но общий комплект получается значительно проще и дешевле. При использовании отдельных усилителей для каждого диапазона с фазировкой проблемы решаются проще, но довольно ощутимо возрастает стоимость комплекса.
Ну теперь принцип работы динамической головки должен быть понятен полностью – при подаче переменного напряжения с усилителя мощности катушка то втягивается, то выталкивается из магнитного зазора, а поскольку она жестко соединена с дифузором, то он повторяет все ее движения вызывая движение воздуха с той же частотой, что и подаваемое с усилителя напряжение:
Осталось выяснить лишь некоторые нюансы, которые лишь на первый взгляд кажутся второстепенными. Прежде всего следует поговорить о “полостности” акустических систем.существует мнение и оно довольно популярно среди начинающим паяльщиков и рядовых обывателей, что чем больше полос на акустической системе, тем лучше.
Из вышенного сказанного следует, что прежде всего частотный диапазон зависит от материала дифузора, а так же ситемы его крепления, следовательно, если производитель не стал беспокоится о закупке хорошего сырья для изготовления дифузоров, а пошел по пути разрезания звукового диапазона на 4-5 частей, то уже можно смело говорить о том, что сырье для акустической ситемы было собрано уж если не на мусорке, то совсем не далеко от нее. Главная проблема многополосных акустических систем (АС) это соблюдение фазы звукового сигнала, а для этого уже требуется не примитивный набор конденсаторов, который обычно йстанавливается в подобных многополосных АС, а серьезный набор фильтров с множеством катушек индуктивностей и конедесаторов. В результате получается звуковая каша с совсем низкой дитализацией, поскольку довольно часто получается, что дифузоры двух соседних дианазонов работают в противофазе, чем обеспечивают коверканье не только фазовых характеристик АС, но и провалы на частотных.
Наиболее оптимально разделение звукового диапазона на 2-3 полосы. В первом случа большая динамическая головка воспроизводит НЧ-СЧ, т.е. от 20 Гц до 6…8 кГц, а маленькая динамическая головка воспроизводит только ВЧ, т.е. от 6…8 кГц до 20 кГц.
На каком участке звукового диапазона делать деление определяет уже производитель и отталкивается от того насколько высокочастотный сигнал способна воспроизводить бОльшая динамическая головка.
При разделении звукового диапазона на 3 части бОльшая головка воспроизводит только НЧ сигнал, среднаяя – среднюю частоту, а самая маленькая, именуемая часто пищалкой – высокую частоту. Разделение частотного диапазона так же остается за производителем.
Электродинамические громкоговорители
Электродинамический громкоговоритель — это громкоговоритель, в котором преобразование электрического сигнала в звуковой происходит благодаря перемещению катушки с током в магнитном поле постоянного магнита (реже — электромагнита) с последующим преобразованием полученных механических колебаний в колебания окружающего воздуха при помощи диффузора.
Устройство динамического громкоговорителя
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 НЧ ГГ применяют натуральные резины, пенополиуретаны, прорезиненные ткани, натуральные и синтетические ткани со специальными демпфирующими покрытиями.
Диффузор — основной излучающий элемент громкоговорителя, который должен обеспечивать линейную АЧХ (Амплитудно-частотная характеристика) 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 низкочастотных динамиков 8—12″ рабочий диапазон простирается до 1 кГц, низкочастотных, среднечастотных динамиков 5—7″ — до 3 кГц, высокочастотных динамиков — до 16 кГц.
Диффузоры по типу материала бывают:
- жесткие (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;
- полужесткие (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.
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.
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 высокодобротные 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. В качестве материалов для шайб применяют натуральные 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 — 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 (1,5 В) постоянного напряжения.
Принцип работы При подаче электрического сигнала звуковой частоты, катушка производит вынужденные колебания в поле постоянного магнита под действием силы Ампера, 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 ,, где B — индукция магнитного поля в зазоре, I — ток через катушку, l — часть длины провода катушки, находящаяся в зазоре магнитопроводов. l=npi d_1,, где n — число витков катушки, находящихся в зазоре, d_1 — диаметр катушки.
n=h/d_2,, где h — толщина магнитопроводов, образующих зазор, 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, но увеличивается относительная рабочая часть катушки, то есть относительная рабочая часть длины провода катушки 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 Гц), то и диффузор колеблется относительно постоянного магнита с такой же частотой. Здесь следует сделать замечание, что 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. Следует повториться, что 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.
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 — номинальная, программная (длительная), либо пиковая (краткосрочная) подводимая мощность, которую выдерживает головка до своего 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.
Импеданс (номинальное сопротивление) — как правило, динамические головки имеют импеданс 2, 4, 8 или 16 Ом. Динамические головки наушников более высокоомные (32 Ом и более). Чем выше импеданс головки, тем бо́льшее напряжение звуковой частоты требуется подводить к головке для достижения номинальной мощности.
Поэтому высокоимпедансные головки могут не развивать максимальную мощность при работе от УМЗЧ, имеющего недостаточно высокое напряжение питания (портативная техника с низковольтным питанием), а низкоимпедансные — создавать перегрузку (усилителя и самих себя), если подключены к усилителю с большим выходным напряжением, предназначенным для высокоимпедансных головок.
Частотная характеристика — измеренная, либо заявленная выходная характеристика на заданном диапазоне частот при входном сигнале постоянной амплитуды на всём заданном диапазоне. Как правило, указывается предел отклонений характеристики, например, «± 3 дБ». Параметры Тиля — Смолла — набор электроакустических параметров, характеризующих головку как колебательную систему.
Чувствительность — уровень звукового давления, производимый динамической головкой при подаче сигнала мощностью 1 Вт, измеренное на расстоянии 1 м от головки.
Максимальный уровень звукового давления — максимальное давление, которое может развить головка без своего повреждения либо без превышения заданного уровня искажений. Зависит во многом от чувствительности головки и её мощности. Данный параметр приводится, как правило, как измеренный на произвольном (по усмотрению производителя) диапазоне частот и типе сигнала.
Мощность динамических головок, как правило, выражается в ваттах (при этом существует PMPO (Peak Music Power Output) — пиковая шумовая выходная мощность, RMS (Rated Maximum Sinusoidal) — номинальная шумовая мощность, номинальная электрическая мощность). КПД динамиков как правило не превышает 1—3 %.
PMPO обычно составляет сотни ватт (иногда — киловатты для мощных АС), а выходная мощность — ватты, реже десятки ватт (для мощных головок), очень редко более ста.
Применение Описанная классическая конструкция является базовой и может применяться в недорогой технике, там, где не требуется высокое качество звука.
Для высококачественного воспроизведения проектируются более сложные и совершенные громкоговорители.
Для создания более качественной аудиосистемы одну или несколько динамических головок помещают в корпус в виде коробки из дерева, либо пластика или металла таким образом, чтобы изолировать лицевую и тыльную поверхности диффузора друг от друга и исключить «перетекание» воздуха вокруг кромки рамы громкоговорителя (акустическое короткое замыкание).
Полученное изделие называется акустической системой. Если в акустической системе присутствует встроенный усилитель, такая акустическая система называется активной, в противном случае — пассивной. Создание акустических систем, имеющих максимально чистое, естественное и натуральное звучание — весьма трудоёмкая и сложная задача, так как на конечный результат влияет множество факторов.
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.
История динамиков
04 Мая 2015 Автор: А. Грудинин
https://www.youtube.com/watch?v=axXR-RAhFOQ
Важнейшие элементы конструкции громкоговорителей остались неизменными с момента их изобретения в начале прошлого века. Современная электроакустика появилась на рынке с изобретением А. Г. Беллом и Т. Ватсоном телефона в 1876 году.
И хотя с тех пор совершенствование электроакустических преобразователей (то есть громкоговорителей) было темой бесконечной череды научных изысканий и статей, значительно большей, чем посвященных любому другому элементу звукоусилительного тракта, кардинальных изменений практически нет.
История динамиков началась в далеком 19 веке.
Первая заявка на патент на электродинамическую конструкцию с подвижной катушкой была подана в 1877 году, а на электродинамический громкоговоритель — в 1898 году.
Однако практического применения эти изобретения тогда не получили — еще не было достаточно мощного источника, который позволил бы раскачать головку громкоговорителя с подвижной катушкой.
Коммерческие модели появились только в 20-х годах, когда стали доступны ламповые усилители.
В первых электродинамических громкоговорителях катушки были высокоомные, использовались тканая подвеска и электромагниты с питанием постоянным током.
Некоторые историки техники указывают, что первой электродинамическую головку в максимальном приближении к ее современной конструкции запатентовала в 1925 году фирма General Electric.
Внешне конструкции динамических головок для воспроизведения низких и высоких частот различаются, но содержат одни и те же компоненты. НЧ – головка имеет металлическую (реже пластиковую) раму, которую также называют корзиной за ее форму или диффузородержателем — это уже ее назначение. Окна диффузородержателя обеспечивают свободное движение воздуха у задней стороны диффузора.
При отсутствии окон воздух мог бы воздействовать на подвижную систему как дополнительная акустическая нагрузка, уменьшая отдачу в области низких частот. Технология изготовления диффузородержателя определяется мощностью и размерами головки. Основное требование — обеспечение жесткой конструкции, свободной от вибраций, способных вызвать призвуки.
С этой точки зрения лучше использовать литые конструкции из металлов или композитных материалов. На раме закрепляется конический диффузор, обычно изготавливаемый из бумаги (на самом деле — из измельченной древесины), чистого или с наполнителем пластика и реже — металла или керамики.
К задней (более узкой) части конуса прикрепляется гильза (бумажная с пропиткой или металлическая), на которую наматывается звуковая катушка.
Звуковая катушка наматывается обычно в два (реже — четыре) слоя медным или алюминиевым проводом в эмалевой изоляции на каркас (гильзу) и закрепляется на нем лаком. Обычно используется стандартный провод круглого сечения, но для очень мощных головок применяется провод с прямоугольным сечением, обеспечивающим почти 100-процентное заполнение зазора.
При сборке подвижной части головки широко используются современные материалы. Например, для приклеивания каркаса звуковой катушки к керамическому или металлическому купольному диффузору используются полимерные клеи с ультрафиолетовым отверждением. Выводы катушки с помощью специальных очень гибких проводов подключаются к контактам на плате соединений.
Несмотря на непрерывные исследования в области материаловедения, для большинства НЧ – и СЧ – головок, имеющих схожую конструкцию, но отличающихся размерами, используются конические диффузоры из бумажной массы.
Кроме этого, используются такие материалы как полипропилен, бекстрен, а в последнее время и легкие металлы (алюминий, титан, магний).
Фирмы с именем и историей, имеющие собственные исследовательские центры или заказывающие разработку, активно экспериментируют с различными наполнителями и композиционными материалами, создавая комбинированные диффузоры.
Тут в качестве наиболее известного примера можно привести СЧ -головки B&W с диффузором из тканого кевлара с пропиткой.Конусы с прямолинейной образующей использовались в низкочастотных головках только в самых первых головках.
Жесткости такой конструкции не хватает на весь рабочий диапазон частот, и выше некоторой частоты излучение приобретает изгибной характер: реально работает только центральная его часть. Диффузор оказывается слишком тяжел и слишком мягок, чтобы точно следовать за перемещением катушки. Он просто не успевает полностью отклониться и вернуться, а изгибные колебания порождают призвуки и дополнительное окрашивание звука.
Самый простой и древний способ борьбы с этим явлением — формирование в процессе изготовления на поверхности конуса серии концентрических канавок. В современных громкоговорителях используется целый комплекс мер для подавления параметрических резонансов. Во-первых, практически все диффузоры имеют криволинейную образующую.
Во-вторых, все больше из них изготавливаются из материалов, эффективно гасящих продольные колебания и, кроме того, они имеют переменное сечение: у катушки оно больше, а у подвеса меньше. Конечно, все зависит от выбранного материала.
Для бумажного диффузора подойдет специальная пропитка, а для слоистой или композитной структуры важно сочетание физико-механических свойств составляющих ее материалов. Поскольку диапазон воспроизводимых частот головки громкоговорителя определяется областью поршневого движения его диффузора, важно чтобы он был максимально жестким, но при этом еще имел бы и минимальную массу.
Внешний подвес диффузора, который обеспечивает его поступательное движение при работе, может быть выполнен как единое целое с диффузором (в виде гофра с одной или несколькими канавками) или как автономное кольцо из резины, каучука, полиуретана и других материалов с аналогичными свойствами, которое затем приклеивается к внешнему краю диффузора.
Подвес, особенно низкочастотной головки, должен обладать большой гибкостью: это обеспечивает низкую частоту собственного резонанса. Практически сразу ниже этой частоты эффективность головки резко падает, то есть собственный резонанс определяет границу воспроизведения басов.
Второе основное требование к подвесу — упругие свойства должны сохранять линейность во всем диапазоне перемещений подвижной системы громкоговорителя.
Достаточно долго высокочастотные головки имели такой же конический диффузор, только меньшего размера. Однако сегодня наиболее распространенным у ВЧ – головок является купольный диффузор. Он может быть мягкий (из текстиля, например шелка с пропиткой) или жесткий — из металла или керамики.
Конструкция типичного ВЧ – динамика отличается не только размером диффузора. Обычно купольный диффузор с подвеской изготавливается как единое целое, к которому приклеивается гильза со звуковой катушкой. При этом в конструкции отсутствует гибкая центрирующая шайба.
Магнитная система, как и диффузор, закрепляется на пластине переднего фланца.
Купольные диффузоры, которые могут быть выпуклыми или реже вогнутыми, изготавливаются прессованием из натуральных или синтетических тканей с обязательной последующей пропиткой.
Все большее распространение получают диффузоры ВЧ – головок из синтетических полимерных пленок или металлической фольги. Для повышения жесткости диффузоры изготавливают методом осаждений из паровой фазы различных материалов: бора, бериллия, золота и даже алмаза.
Существуют многочисленные примеры купольных диффузоров из керамики, которая, по сути, является окислом металлов, например, алюминия.
Центрирующая шайба — непременная часть НЧ – или СЧ – головки; ее задача обеспечить правильное положение гильзы со звуковой катушкой в воздушном зазоре магнитной системы.
Требования к шайбе такие же, как и к подвесу — максимальная гибкость в осевом направлении и сохранение линейности во всем диапазоне перемещений, дополняются еще и требованием максимальной жесткости в радиальном направлении.
Для повышения эффективности головки зазор должен быть минимальным, и малейшее смещение в радиальном направлении неминуемо приведет к заклиниванию звуковой катушки.
На всем пути совершенствования головок центрирующая шайба изготавливалась из разных материалов (картона, бумаги, текстолита, ткани). Сегодня практически все головки имеют центрирующую шайбу с концентрическими канавками, прессованную из ткани с последующей пропиткой.
Важнейший элемент конструкции и динамика, который во многом определяет ее электроакустические характеристики, — это магнитная система.
Она образуется кольцевым магнитом, расположенным между двумя кольцевыми фланцами и цилиндрическим керном, который образует с передним фланцем воздушный зазор.
Конструкция магнитной системы с керновым магнитом, широко распространенная в середине прошлого века, ныне в головках, предназначенных для многополосных акустических систем, практически не используется. Магнитная система создает в зазоре постоянное магнитное поле.
При подаче сигнала на катушку ее магнитное поле взаимодействует с полем магнитной системы, заставляя ее перемещаться в зависимости от направления тока вперед и назад и двигать прикрепленный к ней диффузор. Зазор должен быть как можно меньше: так повышается эффективность взаимодействия катушки и постоянного магнита.
Магнитное поле системы с кольцевым магнитом не замыкается полностью в магнитопроводах. Эта конструкция имеет внешнее поле рассеяния, которое может влиять на другие устройства, например, кинескоп цветного телевизора.
Поэтому в случае использования таких динамиков в акустических системах домашнего кинотеатра требуется дополнительный магнитный экран, представляющий собой стакан из магнитомягкого материала, которым закрывают снаружи всю магнитную систему.
Форма полюсных наконечников (отверстия верхнего фланца) и керна определяет величину магнитной индукции в воздушном зазоре и равномерность распределения в нем магнитного потока. От размеров элементов магнитной системы и ширины воздушного зазора зависит степень нагрева звуковой катушки и, следовательно, ее термостойкость.
Здесь сталкиваются противоречивые требования. Для улучшения вентиляции нужно увеличить зазор, но это снижает чувствительность головки и требует увеличения магнита. Тут появляется поле деятельности для поиска компромиссного инженерного решения.
Поэтому, например, в мощных НЧ – головках диаметр катушки больше, и часто используются два кольцевых магнита.
Как известно, для эффективной работы НЧ – головки необходимо, чтобы звуковые волны от передней и задней стороны диффузора были изолированы (см. «Акустическое оформление», S&V, 4/2004). Поэтому центральное отверстие конического диффузора закрывают колпачком, который из-за дополнительной функции называется пылезащитным.
В некоторых конструкциях в центральном сердечнике магнитной системы делают отверстие, закрытое звукопоглотителем, а в качестве материала колпачка используют плотную ткань или нетканый материал с большим акустическим сопротивлением. Поршневое движение диффузора в широкой полосе частот возможно только при его идеальной жесткости.
Для реальных диффузоров из-за возникновения продольных колебаний диффузора эффективная полоса существенно сужается. Заметим, что и для идеального диффузора полоса ограничена его физическими размерами, но уже по другой причине. Скорость звука в воздухе имеет конечное значение около 340 м/с при комнатной температуре.
При некоторой частоте длина звуковой волны становится соизмерима с размером диффузора и даже меньше его. На практике это проявляется как сужение диаграммы направленности динамической головки с повышением частоты. То есть чем выше частота, тем ближе к оси головки должен находиться слушатель, чтобы услышать высокие частоты.
Так для диффузора диаметром 10 дюймов (250 см) теоретическая максимальная частота, на которой диаграмма акустического излучения сжимается до узкого луча, равна 1335 Гц.
Для наиболее часто используемого размера 8 дюймов (200 мм) она составит уже 2015 Гц, для головки с диффузором 5 дюймов (125 мм) — 3316 Гц, а для типичного твитера диаметром 1 дюйм (25 мм) — 13680 Гц.
На низких и средних частотах конструкторы стараются не заставлять головки работать выше этих частот. Для ВЧ – головок приходится идти на технические хитрости.
Как правило, перед диффузором устанавливается рассекатель той или иной формы, в зависимости от того, в какой плоскости необходимо расширить диаграмму направленности излучения.
В нашем примере конструкции ВЧ – головки шестилучевой рассекатель обеспечивает оптимальное рассеивание, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. В СЧ -головках для расширения диаграммы также используют рассекатели в виде конусов со сложной образующей.
Очень важным параметром динамиков является линейность его амплитудной характеристики. Это зависимость звукового давления от амплитуды колебания диффузора. В некотором диапазоне средних значений все работает нормально. Однако при малых значениях входного сигнала силы взаимодействия поля катушки и постоянного магнита не хватает на преодоление упругих сил подвеса.
Это проявляется на слух как ухудшение воспроизведения низких частот при малых уровнях сигнала. При больших амплитудах катушка выходит за пределы поля магнита в зазоре, что резко увеличивает уровень нелинейных искажений. Амплитуда перемещения диффузора, в пределах которой амплитудная характеристика головки сохраняет линейность, очень небольшая.
Для НЧ – головок она редко превышает 6 мм, а для ВЧ – головок — 0,3 мм. Благодаря столь малому ходу для улучшения теплопередачи в ВЧ – головках зазор магнитной системы заполняют магнитной жидкостью, которая представляет собой смесь силиконовой смазки и мельчайшего порошка ферромагнитного материала.
Однако их применение ограничивает срок службы головки из-за значительного увеличения со временем вязкости смазки.
Выбор акустики остается самым важным среди других компонентов системы для окончательного звучания, которое вы хотите получить в своей комнате прослушивания. Кроме всего прочего, для акустических систем очень велик диапазон цен: от менее $100 до более чем $70000 за пару. Возникает вопрос, что там такое внутри, если столь велика цена.
Ответ так же прост, как и в случае с дорогими усилителями. Более дорогие акустические системы выпускаются малыми партиями, в них установлены сделанные на заказ головки (и, кроме того, тщательно отобраны по параметрам) и высококлассные корпуса, чаще всего ручной работы.
В общем случае вы видите, за что платите деньги, но тональные характеристики акустических систем индивидуальны: отличия от образца к образцу возможно больше, чем у всех остальных компонентов системы звуковоспроизведения. Необходимо слушать и слушать различные системы, чтобы наконец найти ту одну, звук которой наиболее приятен вашему уху.
Одна акустика дает яркий звук на высоких, другая — жесткое звучание на средних, а третья — очень глубокий бас. Хотя, конечно, существуют системы с более нейтральным (тонально правильным) звуком, но громкоговорителя, воспроизводящего правильно весь звуковой диапазон (тот, что слышит человеческое ухо), нет.
Все они окрашивают звук в разной степени, которая зависит от их цены. Иногда тональная окраска специально добавляется в соответствии со вкусом создателя акустической системы. Поиски акустики, удовлетворяющей ваш вкус, требуют усилий и времени.
Алексей Грудинин (Stereo&Video)
Электродинамические головки с плоскими диафрагмами →
