Иофе В. К., Лизунков М. В. Бытовы   акустические   системы. — М.:   Радио  и связь, 1984.

РАЗДЕЛ 7. 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 используется 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.

В кольцевом воздушном зазоре магнитной цепи, состоящей из 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 ленты 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 на 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.

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. 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 S 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. На пленку нанесен проводник в виде спирали.  В том  месте, где встречаются противоположно направленные потоки (окружность, проходящая через точку А на рис. 21), витки спирали 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 (рис. 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 неподвижным 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 излучении 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  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 т₀, гибкость с₀ 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/R, будет . Используя это соотношение и применяя выражения (15), (19),  (4) и (6)  и полагая r = 1 м, получаем

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

Величину  называют добротностью. Физически эта величина характеризует, насколько быстро затухают колебания в возбужденной колебательной системе. Используя это обозначение и беря модуль выражения , получаем

.

Значения r_R 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 K = 3, получаем после несложных пре­образований

.

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

. (26)

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

 (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 , 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. Там же изображено отношение  частоты пика  к резонансной частоте  в за­висимости от добротности и отношение частоты провала  к ре­зонансной частоте .

При ненаправленном излучении > (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). 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 Q0,5 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. 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  — носит название электрической добротности Q_Э,

величина  — механической добротности Q_M. Эти величины связаны с полной добротностью Q подвижной системы соотноше­нием: 1/Q=1/Q_Э+1/Q_M.

Используя эти соотношения, имеем

.

Модуль этого выражения

.

Обычно Q_M довольно велико, a Q_Э — мало. Отсюда на резонан­се, где , величина . 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.

 

Следующий раздел >>

Раздел 8. Открытое акустическое оформление