Вопросы модернизации электродинамических головок

В составе домашнего аудиокомплекса любители высококачественного звуковоспроизведения применяют акустические системы (АС) как заводского изготовления, так и собственной разработки. Если раньше конструирование самодельных АС сдерживалось дефицитом основных комплектующих изделий головок громкоговорителей (ГГ), то теперь только финансовыми возможностями. Сейчас на радиорынках и в магазинах представлен широкий спектр отечественных ГГ как современных, так и прежних годов выпуска, а также зарубежных. Иногда по информации в газетах бесплатных объявлений можно приобрести готовую АС за сумму, меньшую рыночной стоимости динамических головок, входящих в ее состав.

При выборе головок громкоговорителей и при анализе параметров, определенных по различным стандартам и методикам, конструкторы АС часто испытывают затруднения. В таблице приведены параметры низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных и широкополосных отечественных головок, а также некоторые параметры линейки ГГ с сотовыми диафрагмами, разработанные российской на базе научных исследований ВНИИРПА им. А.С. Попова.

Наименование, номинальная мощность, мощность нормирования коэффициента гармоник Кг или рабочая мощность соответствуют ГОСТ 9010-67 и действующему ОСТ 4.383.001-85 по международным рекомендациям МЭК581-7.

Уровень характеристической чувствительности головок старых типов приведен в соответствии с ОСТ, так как понятия предельных долговременных и кратковременных мощностей не имеют ничего общего с высококачественным звуковоспроизведением, а лишь характеризуют механическую и электрическую прочность головок,

то максимальный уровень звукового давления рассчитан для подводимой мощности, равной предельной шумовой, которую приближенно можно считать границей линейности преобразования звукового сигнала из электрической формы в акустическую.

Введение в действие ОСТ4.383.001-85 кроме введения новых параметров (трех видов предельных мощностей и др.) и замены понятия динамическая головка на головка громкоговорителя с неблагозвучной аббревиатурой ГГ позволило заводам изготовителям нормировать в ТУ коэффициент гармоник Кг при

номинальной или рабочей мощности, соответствующей номинальному звуковому давлению в диапазоне от 90 дБ и выше. В большинстве случаев такая перестраховка оправдана жесткими нормами МЭК и ГОСТ23262-88 на АС, однако часто приводит к крайностям, доходящим до абсурда.

Так, коэффициент гармоник 7 % (125 Гц), 5 % (200-400 Гц), 3 % (630 Гц и выше) для пятиваттной головки 5ГДШ-1 нормируется при рабочей мощности 3 Вт, а для десятиваттной 10ГДШ-2 такой же Кг – при мощности 2 Вт. Как видно из таблицы, примеров номирования Кг при мощностях, много меньших предельной шумовой по

ОСТ и даже номинальной по ГОСТ, достаточно. Часть динамических головок, представленных в таблице, обладающих высокой чувствительностью, давно снята с производства, но еще встречается на радиорынках (например, 6ГД-2 по цене $15-20 за пару).

Следует учитывать, что высокий уровень характеристической чувствительности в них достигнут путем предельной оптимизации конструктивных параметров – малой массой диффузора и величиной магнитного зазора, а также повышенной гибкостью подвесной системы и индукции 8 зазоре.

Поэтому для получения малой неравномерности АЧХ на НЧ требуется относительно большой объем акустического оформления (обычно 100 дм3 и более) для АС закрытого типа. В последние годы основную пару фронтальных акустических систем все чаще дополняют отдельной активной или пассивной низкочастотной

акустикой сабвуфером, что позволяет при корректном применении сформировать в НЧ области 20-150 Гц звукового спектра дополнительную полосу излучения и значительно снизить интермодуляционные искажения на частотах выше верхней рабочей частоты сабвуфера, а также уменьшить суммарную неравномерность АЧХ АС на НЧ. Для этого необходимо применить узел согласованных активных разделительных фильтров с регуляторами уровня и фазы сигнала сабвуфера.

В табл.2 и 3 соответственно приведены некоторые основные параметры АС и активных сабвуферов ведущих западных фирм по материалам журнала STEREO&VIDEO, в табл.4 параметры некоторых отечественных АС нулевой и первой групп сложности, двух АС невысокого уровня качества, а также результаты испытаний трех экспериментальных АС в НЧ диапазоне.

После введения в действие ГОСТ 23262-83 и ГОСТ 23262-88, соответствующих международным рекомендациям МЭК581-7, стало возможным корректное сравнение характеристик зарубежных и отечественных АС. Подавляющее большинство АС (кроме сабвуферов) имеет верхнюю граничную частоту 20 кГц и более,

неравномерность АЧХ в диапазоне частот выше 100 Гц не более ±4 дБ. Основные различия наблюдаются по габаритным размерам, диапазону подводимой мощности, уровню характеристической чувствительности максимальному уровню звукового давления, а также по неравномерности АЧХ в области НЧ.

В отличие от методик определения нижней граничной частоты по уровню -10 дБ относительно уровня среднего звукового давления в диапазоне частот выше 100 Гц, принятой в лаборатории STEREO&VIDEO, нижняя граничная частота для широкополосных АС определена в трех точках по уровню -3, -6 и -10 дБ относительно максимума АЧХ в диапазоне 20-150 Гц, что позволяет более детально проанализировать ход частотной характеристики в области самых нижних частот.

Сравнение приведенных в таблицах параметров показывает, что большинство отечественных АС имеет неравномерность АЧХ на уровне лучших зарубежных моделей, уступая им по уровню чувствительности, максимальному звуковому давлению и габаритным показателям.

При умеренном уровне звукового давления 90-94 дБ отечественные АС обеспечивают приемлимый уровень нелинейных и интермодуляционных искажений в соответствии с рекомендациями МЭК и не нуждаются в комплектации дополнительным НЧ излучателем, так как имеют (по уровню -8…-10 дБ) довольно низкую нижнюю рабочую частоту. При эксплуатации на больших уровнях громкости дополнение сабвуфером становится практически необходимым.

При изготовлении АС собственной разработки любители высококачественного звуковоспроизведения могут получить лучшие параметры, чем в серийных моделях. Для этого можно использовать большой арсенал методов [6-13] и средств [14-27], накопленный отечественными конструкторами.

Последние сообщения

• Подключение линии капельного орошения к спринклерной системе03.08.2020
• Сколько стоит заменить гибридную батарею03.08.2020
• Что такое компонентный ремонт30.07.2020

Популярные сообщения

• Усилитель Зуева18.05.2015
• Расчет радиатора для КРЕНки03.12.2017
• Устройство для восстановления Fuse байтов в ATtiny231329.10.2016

Доработка головок динамических и измерение их частотных характеристик

Диапазон звуковых частот, который способно воспринимать ухо человека, довольно широк, от 20 до 20000 Гц. Как видно из рис. 1[1], наибольшей чувствительностью человеческий слух обладает на средних частотах — в диапазоне от 2000 до 5000 Гц. А область с 200 до 5000 Гц является самой информативной. При проектировании и изготовлении высококачественных акустических систем особое внимание следует уделять звену, отвечающему за воспроизведение звука в зоне средних частот.

Рис. 1. Частотные характеристики ощущений громкости: 1 – характеристика порога слышимости; 2 – уровни болевых ощущений; 3 – область речевых передач; область музыкальных передач.

Известно, что наиболее слабое звено акустических систем 35АС-012 (S-90) их модификаций и других им подобным – среднечастотная динамическая головка 20ГДС-3-8 (старое название 15А-11А) имеет резкий спад выше 4,5 кГц (рис. 2), а, что практически исключает возможность получения качественного звуковоспроизведения. Второй недостаток – акустическая добротность составляет порядка 11,8. А чем выше добротность колебательной системы, тем сильнее она подчеркивает частоты, совпадающие с резонансными, или близкие к ним. Что, практически, исключает возможность получения полноценного неискаженного звучания, если не принять необходимые меры. [2].

Рис.2. Среднечастотная динамическая головка 20ГДС-1-8 (15ГД-11А): а – АЧХ звукового давления; б) – габариты и установочные размеры.

В некоторых выпусках систем 35АС-1, предшественнице S-90, в качестве СЧ звена использовалась головка 10ГД-34 (новое название 25ГДН-1), конструктивно очень схожа с головкой 20ГДС-1-8 (рис. 2, б). Особенно широко применялась во всех модификациях S-30, 6АС-2 и других в качестве НЧ – СЧ звеньев. Отличается она от 20ГДС-4-8 наличием резинового подвеса, вместо тканевого, что утяжеляет подвижную систему динамика и способствует снижению его частоты основного резонанса, а также более мягкую центрирующую шайбу для обеспечения большего хода диффузора, что существенно для НЧ излучателя.

а	б
Рис. 3.Среднечастотная динамическая головка 25ГДН-1-8 (10ГД-34): а – общий вид; б – АЧХ звукового давления.

С целью улучшения качества звучания динамической головки 20ГДС-1 Киселев А., в своей статье «Модернизация динамической головки 20ГДС – 1» (РАДИО № 3, 1999 года, стр. 19), предложил отделить от диффузора пылезащитный колпачок и приклеить его к, выступающему из диффузора, краю звуковой катушки выпуклой стороной, т. е. перевернув его на 180º. Если разобраться, то автор статьи, по сути, оборудовал динамическую головку дополнительным диффузором, который работает на верхних частотах, тем самым расширил полосу частот, воспроизводимой головкой 20ГДС-1, до 7…8 кГц. Дополнительные диффузоры имеют многие широкополосные громкоговорители. Применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора (рис. 5) повышает верхнюю границу частотного диапазона динамика до 10-12 кГц можно. В этом случае на высоких частотах основной диффузор перестает работать из-за относительно гибкого соединения его с звуковой катушкой, а в работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий [3].

Рис. 5. Громкоговоритель с дополнительным диффузором.

Имея в своем пользовании акустическую систему 35АС-012, решил поступить также. Но вместо пылезащитного колпачка применить дополнительный высокочастотный рупор от динамической головки 10ГДШ-1-4 (10ГД-36К). Внутренний диаметр звуковой катушки 10ГДШ-1-4 составляет 25,7 мм, а головки 20ГДС-3-8 – 25,6 мм. Почти идеальное совпадение. Работы проводились следующим образом.

Отмачивают пылезащитный колпачок жидкостью для снятия лака с ногтей, можно растворителями 646, 647 и другими. Аккуратно извлекают его скальпелем (рис. 6, б). Помните, что из-за сильного действия поля магнитной системы на инструмент из стали, неосторожными движениями, можно повредить элементы динамика! Далее вытирают ватным тампоном, смоченным в той же жидкости для снятия лака, диффузор от клея. Промазывают клеем «Момент» нижнюю часть рупора и верхнюю часть звуковой катушки. Просушивают 10-15 минут. Опять промазываем обе детали и сразу соединяем их, прижимая с определенной силой (рис. 6, г). Рупоры у меня были новые. Но можно вышеизложенным способом извлечь их из старых динамиков (рис. 6, в). Те же действия проводят и для 25ГДН-1.

Конструкция рупора разработана для динамической головки 10ГДШ-1. Для 20ГДС-3-8 и 25ГДН-1-4 его следует подогнать. Подгонка заключается в поэтапном срезании его края, измеряя, после каждого срезания, АЧХ динамика. Операцию повторяют до тех пор пока не получат наиболее ровную кривую АЧХ в приделах средних частот. Срезав, примерно, 10 мм края рупора проводят измерения. Второе и последующие подрезания следует проводить очень аккуратно, срезая не более 3 — 1 мм (в порядке уменьшения). В итоге, боковая поверхность рупора внутри составила около 7 мм (от пылезащитного элемента колпачка до края обрезки). Обрезку исполняют маникюрными ножницами (рис. 7, б), поскольку они оказались самым приемлемым инструментом для такого вида работы, имеют миниатюрные округленные режущие поверхности. Обрезанный край, для придания жесткости, пропитывается клеем БФ-2, немного разведенным этиловым спиртом.

Измерения АЧХ производят с помощью конденсаторного микрофона (желательно измерительного), размещенного на одной оси с головкой*, в пределах 30 — 40 см, компьютера и программы RightMark 6.2.3. Микрофон подключается к линейному входу звуковой карты компьютера, а динамик к усилителю компьютерных АС. Запускают программу RightMark 6.2.3 и проводят измерения АЧХ звукового давления [4]. Важно, что бы в усилителе регуляторы тембра были в среднем положении, а режим тонокомпенсации и корректирующие звенья отключены. Испытуемая головка размещается наиболее удаленно от стен, мебели и других предметов.

а
б
в
г
Рис. 6. Приклеивание рупорка на 15ГД-11А: а — головка динамическая 15ГД-11А в оригинальном исполнении; б — головка динамическая 15ГД-11А с извлеченным пылезащитным колпачком; в — головка динамическая широкополосная 10ГДШ-1-4 (10ГД-36К), высокочастотные рупорки; г — головка динамическая 15ГД-11А с рупорком.

а
б
в
Рис. 7. Формирования рупора головки динамической 25ГДН-1-4: а – процесс срезания; б – измерение высоты стенки; в – вид на этапе завершения.

Такая доработка не только позволила расширить полосу частот, воспроизводимых головками 20ГДС-4-8 и 25ГДН-1-4, до 10 кГц (рис. 8), но и избавится от структурных призвуков в результате деформаций пылезащитного колпачка.

а
б
Рис. 8. Амплитулно-частотные характеристики доработанных головок: а – 20ГДС-4-8; б – 25ГДН-1.

Для снижения добротности применяют акустическое демпфирование головки с помощью ПАС. Демпфирование головок звукопоглощающим материалом менее результативно и, к тому же, способствует повышению резонансной частоты. С целью повышения эффективности действия ПАС на подвижную систему, работающей в акустическом оформлении головки, демпфирующею ткань следует располагать как можно ближе к диффузору. Наиболее рационально устроить ПАС в отверстиях диффузородержателя. Для этого, из плотного картона толщиной, примерно, 2 мм вырезают восемь одинаковых элементов (рис. 9, а). Общая площадь отверстий для головки 15ГД-11А должна составлять 22…28 см2. Одну сторону каждого элемента смазывают клеем момент. Через 5 минут наклеивают на натянутую, с помощью пяльцев для вышивания, хлопчатобумажную ткань. Через 30 минут ткань обрезают вокруг элементов. Элементы ПАС слегка изгибают и вклеивают в окна дифузородержателя (рис. 9. б). Места склейки дополнительно промазывают клеем [5]. Важно, что бы ткань в отверстиях элементов была натянута, в противном случае эффекта от применения ПАС не будет! Применение ПАС, т.е. акустического демпфера, позволяет затормозить собственные колебания диффузора, в результате существенно снизится время «послезвучания» и заметно повысится качество звучания динамика.

а

б

Рис.9. Головка 15ГД-11А: а — элемент ПАС; б — ПАС в окнах диффузородержателя.

Демпфирующее действие ПАС для головки динамической 15 ГД-11А графически представлено на рисунке 10.

Рис.10. Демпфирующее действие ПАС для головки 15ГД-11А.

Эффективность применения ПАС было проверено сотрудниками Бердского радиозавода. В частности, были измерены коэффициенты гармоник среднечастотной головки 15ГД-11А с ПАС и без ПАС. Результаты измерений, приведенные в таблице 1, показывают, что ПАС позволяет значительно снизить коэффициент гармоник в частотном диапазоне, в котором человеческое ухо обладает наибольшей чувствительностью.

Таблица 1. Коэффициенты гармоник головки 15ГД-11А.

Частота, Гц	Коэффициент гармоник, %
250	1,5	0,6
400	2	1,1
630	1,5	1,1
1000	1,1	1,0
2000	1,5	1,2
4000	0,6	0,5

По изложенному методу ПАС рекомендуется применять для любых головок, работающих в СЧ диапазоне. А для НЧ динамиков – в задней стенке ящика, для закрытого оформления, и в окнах фазоинвертора, для фазоинверторного [7]. Особых расчетов для изготовления ПАС не существует. Производители современной акустики плотность материалов, сечение окон и т. п. подбирают экспериментальным путем.

В заключение, подвесы головок, для восстановления эластичности, пропитывают аэрозолем «Кондиционер и натяжитель приводных ремней».

После такой доработки существенно увеличился частотный диапазона до 10 кГц (!), улучшились линейность АЧХ звукового давления и, самое главное, качество звучания акустической системы в целом.

При измерениях АЧХ громкоговорителей к микрофону предъявляются особые требования. Он должен иметь широкий частотный диапазон, не уже 30 – 18000 Гц, «гладкую» АЧХ, небольшие размеры мембраны.

Самые высокие электроакустические параметры имеют конденсаторные микрофоны, и в этом их основное преимущество по сравнению с другими разновидностями микрофонов. Частотная характеристика конденсаторного микрофона отличается своей равномерностью. В диапазоне до резонанса мембраны неравномерность может быть очень малой, выше резонанса она несколько увеличивается. Вследствие малой неравномерности характеристики конденсаторные микрофоны используют как измерительные. Измерительные микрофоны изготовляют на диапазон частот от 20 – 30 Гц до 30 – 40 кГц с неравномерностью 1 дБ до частоты 10 кГц и не более 6 дБ свыше 10 кГц. Размеры капсюля такого микрофона берут в приделах 6 – 15 мм, из-за этого он практически не направлен до частоты 20 – 40 кГц. Чувствительность его не превышает – 60 дБ.

Микрофонный капсюль Panasonic WM61 [8] идеально подходит для использования его, в качестве измерительного.

Подключать капсюль напрямую через микрофонный вход ПК, используя, для его работы фантомное питание, не советуется, из-за большой вероятности наводок и шумов, пониженной чувствительности, что негативно скажется на качестве измерений. Микрофон должен подключаться к аудиовходу материнской платы через согласующее звено – микрофонный предварительный усилитель.

Изготовить своими руками такое устройство (рис. 11) совсем не сложно. Оно состоит из, помещенного в трубку, длиной 20 см, микрофонного капсюля диаметром 6 мм, микрофонного усилителя на ОУ ОРА2134, отличающимся высокими характеристиками, химического источника питания, напряжением 9 вольт, типа «Крона».

а
б
в
г
Рис. 11. Микрофон измерительный: а – вид со стороны светодиода; б – вид со стороны капсюля; в – вид со стороны линейного выхода; г – общий вид.

Схема электрическая принципиальная измерительного микрофона взята из источника [9]. После некоторых изменений имеет вид, представленный на рис. 12. Конденсатор С3 заменен пленочным (К-73, К-78 или другой, рекомендованный для установки в сигнальные цепи звуковых устройств). Налаживание усилителя сводится к подборке светодиода, который обеспечивал бы спад напряжения до 2 вольт на участках указанных в схеме на схеме.

Рис. 12. Схема электрическая принципиальная.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита размерами 55 х 20 мм — рис. 13. Проектирование и печать выполняется на ПК с использование программы Sprint Layout 6.0.

а
б
Рис. 13. Печатная плата: а – вид со стороны дорожек; б — размещения деталей.

Все это монтируется в металлический корпус — для экранирования схемы — рис. 14.

Рис. 14. Расположение элементов в корпусе

Подключают измерительный микрофон к линейному входу звуковой карты ПК через экранированный кабель с двумя жилами. Экран провода подключается с одной стороны – стороны звуковой карты, это также положительно сказывается на точности измерений – рис. 15.

Рис. 15. Схема соединительного шнура.

Данная конструкция имеет широкий диапазон рабочих частот, относительно высокую чувствительность, ровную АЧХ, «слышит» звуки на большем расстоянии, по сравнению, например, с микрофоном МКЭ-3. Замеры можно производить почти с любой, слышимой ухом человека, дистанции, а это важно при тестировании не только одной головки, а всей акустической системы (систем), например в помещении или салоне автомобиля. Микрофон успешно испробован с программой Right Mark 6.2.3. Представленные на рисунках 3 и 8 графики АЧХ звукового давления динамиков построенные с помощью этой программы.

Примечание. С целью устранения негативного влияния акустического короткого замыкания на итоги измерений, головки 20ГДС-1-8 и 25ГДН-1-4 следует помещать в бокс с открытой задней стенкой, снаружи и изнутри покрытого звукопоглощающим материалом. Динамик монтируют на переднюю панель снаружи. В противном случае воздух, резонирующий в отверстии под головку, будет вносить искажения. На графике АЧХ это проявляется в виде пиков и провалов.

Печатная плата микрофона измерительного в формате.lay:

Литература

1. Козюренко Ю. Высококачественное звуковоспроизведение. \ М. : Радио и связь, 1993.
2. Марченко В. Доработка динамической головки 15ГД-11А. – Радио, №7, 2013.

1. Сапожков М. Акустика. Учебник для вузов. \ М., «Связь», 1978.

1. Марченко В. Доработка динамических головок и измерение их частотных характеристик. \ Радио, №2, 2014.
2. Марченко В. Доработка динамических головок и измерение их частотных характеристик. \ Радио, №2, 2014.
3. Марченко В. Модернизация АС 35АС-012 (S-90). \ Радио, №8, 2014.
4. Молодая Н. Акустическое демпфирование громкоговорителей. \ Радио, №4, 1969.
5. https://dl.dropboxusercontent.com/u/87298597/blog/em06_wm61_a_b_dne.pdf
6. https://audiogarret.com.ua/viewtopic.php?f=15&t=7866#p135608]

Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина

Что есть что: динамические головки, статья. Журнал «Stereo & Video»

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.

Сохранить и прочитать потом —

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.

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 головки, 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 головок 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 2020 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 динамического громкоговорителя 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 громкоговорителя 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.

Современный громкоговоритель имеет некий вариант подвижной диафрагмы (диффузора), хотя метод, с помощью которого она приводится в движение, может существенно отличаться. Сама диафрагма может иметь разную форму: коническую, плоскую или поршня, купольную и т.п. Пока диафрагма колеблется как единое целое, она аналогична поршню. Характеристики акустического излучения жесткого цилиндрического поршня хорошо изучены и прямо следуют из фундаментального труда лорда Релея «Теория звука», опубликованного в 1878 году. Работы Релея и его последователей стали основой современного звукоусиления.

Первые громкоговорители

В большинстве первых громкоговорителей использовались не электромагнитные (то есть с подвижной катушкой), а магнитоэлектрические преобразователи: звуковые волны излучали металлические (железные) язычки, которые колебались под действием поля электромагнита, на катушку которого подавался звуковой сигнал. Звук был ужасный, поскольку его сопровождали ярко выраженные собственные резонансы язычков, отсутствие баса и нелинейные искажения из-за одностороннего движения язычка. Симметричная конструкция привода излучателя была использована в начале 20-х годов прошлого века. Тогда же конусные излучатели были заменены небольшими рупорами. Но и этой конструкции были присущи резонансы, и из-за большой жесткости она не могла воспроизводить частоты ниже 120 Гц. Подобные электроакустические преобразователи с металлической мембраной из магнитного материала и электромагнитом достаточно долго использовались в качестве излучателя звука в трубках обычных телефонов, и их еще можно встретить в сохранившихся аппаратах 30-летней давности.

Подготовлено по материалам журнала «Stereo & Video», февраль 2005 г.
www.stereo.ru
Эту статью прочитали 12 962 раза

Статья входит в разделы:

«Сделай сам»

Коаксиальная головка в громкоговорителе центрального канала

Автор предлагает использовать достоинства коаксиальной динамической головки в громкоговорителе центрального канала АС домашнего театра.

Ценителей хорошего звука, уже имеющих в своем распоряжении высококачественную стереофоническую напольную АС, наверняка не устроят колонки «кинотеатра из одной коробки», а приобретение полноценного акустического комплекта 5.1 может создать не только финансовую проблему, но и сложности с его размещением. Можно предположить, что среди читателей журнала найдется немного людей, которые могут выделить для прослушивания музыки одну комнату, а для домашнего кинотеатра (ДК) — другую. Размещение же обоих комплектов в одном помещении неизбежно превратит даже просторную гостиную в подобие затоваренного склада аудио- и видеотехники. Частично снять остроту указанных проблем можно совмещением систем, т. е. дополнением имеющейся стереофонической АС до комплекта 5.1.

Наиболее сложно решаемой задачей при этом оказывается подбор громкоговорителя центрального канала. В отличие от тыловых громкоговорителей, в качестве которых можно использовать недорогую полочную АС, и сабвуфера, выбор отдельных громкоговорителей центрального канала ограничен. Выходом в такой ситуации может стать самостоятельное его изготовление.

К сожалению, публикаций по самостоятельному изготовлению громкоговорителя центрального канала ДК совсем немного; одна из них — статья [1]. В описанной там конструкции применены динамические головки фирмы SEAS. Норвежская фирма SEAS специализируется на производстве динамических головок среднего и высокого классов. Ее обширный ассортимент формируется комбинированием разновидностей корпусов, диффузоров, подвесов и магнитных систем. Поэтому головки таких производителей с формально отличающимися параметрами часто имеют схожее («альтернативного» громкоговорителя центрального канала. Возможно, статья окажется полезной и тем читателям журнала, кто решил повторить АС А. Демьянова.

При анализе и разработке автор руководствовался следующим набором требований, которые можно было бы назвать условиями разумной достаточности для решения поставленной задачи: -звучание, соответствующее уровню Hi-Fi; -хорошее соотношение качество/цена; -невысокая трудоемкость при изготовлении; -магнитное экранирование головок(актуально только для ДК с кинескопным телевизором).

Отказ от изготовления громкоговорителя из статьи [1] в пользу альтернативного варианта обусловлен следующими причинами.

Приведенная в спецификации АС нижняя граничная частота (65 Гц, -3 дБ) представляется излишне оптимистичной. Расчет дает существенно более высокую частоту среза, а на указанной автором частоте 65 Гц спад АЧХ превышает 6дБ. При расчете использовались следующие параметры колонки: полезный объем — 10 л, настройка фазоинвертора — 63 Гц (внутренний диаметр порта фазоинвертора — 5,4 см, длина — 12 см). Параметры головки Н149 были взяты на сайте изготовителя [2].

По соотношению качество/цена описанная конструкция представляется не оптимальной. Применение четырех одинаковых НЧ-СЧ головок увеличивает не только максимальный уровень отдачи на самых нижних частотах, но и цену — при покупке у российских дилеров SEAS комплект головок обойдется дороже 7000 руб.

Отсутствие магнитного экранирования в этом громкоговорителе исключает его использование совместно с ки-нескопным телевизором. Громкоговоритель имеет высокую трудоемкость изготовления. К недостаткам также можно отнести и узкую диаграмму направленности излучения в горизонтальной плоскости.

Рис. 1 АЧХ типичного громкоговорителя центрального канала Karat CM7DC немецкой фирмы CANTON при различных углах отклонения измерительного микрофона от оси громкоговорителя

На последнем, пожалуй, следует остановиться подробнее. Конструктивная схема, при которой ВЧ головка расположена между СЧ (или НЧ-СЧ) головками, фактически стала стандартом для громкоговорителя центрального канала и используется в большинстве подобных изделий. В результате акустические параметры оказались принесены в жертву дизайну; при такой конструкции диаграмму направленности АС почти всегда можно охарактеризовать как неудовлетворительную. На рис. 1 в качестве примера приведена АЧХ типичного громкоговорителя центрального канала Karat CM7DC немецкой фирмы CANTON [3] при различных углах отклонения измерительного микрофона от оси громкоговорителя. При углах +/-30° (синяя кривая) вместо почти ровной исходной характеристики, снятой на оси излучения (красная линия), получается изрезанная АЧХ с периодическими пиками и провалами, начиная с частоты 500 Гц. Это результат интерференции звуковых волн, излучаемых двумя НЧ-СЧ головками. Не является исключением и колонка, описанная в [1]. На ее передней панели головки расположены в одну линию, что, возможно, и оправдано с позиций технической эстетики, но приводит к чрезмерному обострению диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. При отклонении от оси всего на 22° звуковое давление от двух крайних головок уже на частоте 1 кГц оказывается противофазным. На частоте 2 кГц то же самое происходит при вдвое меньшем угле. Таким образом, громкоговоритель центрального канала с четырьмя СЧ головками обеспечивает правильный тональный баланс только для зрителей (слушателей), сидящих напротив.

Рис. 2

Значительно лучшую пространственную равномерность излучения обеспечивают громкоговорители, где используется всего одна головка с коаксиальным расположением СЧ и ВЧ диффузоров; от них можно ожидать и хороший тональный баланс в реальном помещении.

Громкоговорители центрального канала с коаксиальной головкой широко применяют в своих кинотеатральных комплектах средней и высшей ценовых категорий английские KEF и TANNOY — фирмы, весьма уважаемые среди ауди-офилов. Давно известно, что использование коаксиальной головки обеспечивает наилучшую из возможных характеристик направленности и на проблемных частотах — в области совместной работы СЧ и ВЧ звеньев. На рис. 2 показана АЧХ громкоговорителя Q9C производства фирмы KEF [3], снятая при тех же условиях, что и для упомянутой выше Karat CM7DC. Преимущество АС с Q9C в части однородности характеристики направленности более чем очевидно. Это и послужило основным аргументом для разработки и изготовления громкоговорителя центрального канала на основе коаксиальной головки.

К сожалению, приобрести головки фирм KEF и TANNOY в России не представляется возможным. Из доступных российскому радиолюбителю динамических головок, насколько известно автору, подобные изделия выпускает только SEAS. Поэтому была выбрана коаксиальная магнитоэкранированная головка P17RE/XTVF (Н653-04) исходя из предположения, что она будет лучше сочетаться по звучанию с имеющейся у автора фронтальной АС, где в качестве среднечастотных использованы головки P17REX/P (Н602), имеющие идентичный диффузор и подвес.

Следует заметить, что в выбранной головке конструктивно объединены две полноценные головки, но такая конструкция не имеет ничего общего с дешевыми «коаксиальными» блоками головок, широко используемыми в автомобильной аудиотехнике.

Основные технические параметры Номинальное/минимальное сопротивление, Ом4/3,5 Чувствительность, дБ87 Диапазон воспроизводимых частот по уровню -3 дБ, Гц50…20000 Номинальная мощность, Вт 90

На рис. 3 показан внешний вид громкоговорителя. Корпус имеет простую прямоугольную форму. Кромки передней панели слегка скруглены, но это, как, разумеется, и все остальное, касающееся внешней отделки корпуса, — дело вкуса.

Рис. 3 Внешний вид громкоговорителя

График АЧХ громкоговорителя приведен на рис. 4. Поскольку измерения проводились в домашних условиях, влияния комнаты избежать не удалось. Поэтому считать полученные характеристики абсолютно точными не следует, но для оценки получившегося результата их вполне достаточно. Измерения проводились методом скользящего по частоте тона с помощью бесплатной программы RMAA 5.5 [4] и микрофона ЕСМ8000 фирмы BEHRINGER, установленного на расстоянии 60 см от поверхности передней панели на оси головки, а затем под углом 30° к ней. Черная линия соответствует углу 0°, а красная — 30°.

Рис. 4 График АЧХ громкоговорителя

Полученные результаты наглядно демонстрируют достоинства коаксиальной головки — АЧХ, снятая под углом 30°, выглядит даже более предпочтительно, имея меньшую неравномерность, чем осевая. Разумеется, это не относится к самым верхним (выше 15 кГц) частотам.

На рис. 5 показан график модуля полного сопротивления громкоговорителя. Из него видно, что получившаяся частота настройки фазоинвертора равна приблизительно 40 Гц.

Рис. 5 График модуля полного сопротивления громкоговорителя

На рис. 6 приведена схема разделительного фильтра. Частота разделения полос выбрана равной 4,5 кГц, что обусловлено относительно высокой частотой собственного резонанса ВЧ головки (1,8 кГц). Из этих же соображений применен фильтр ВЧ третьего порядка. Для выравнивания отдачи в рабочей полосе головки в цепь ФВЧ введен резистор R1. Конденсатор С1 компенсирует спад отдачи головки на самых верхних частотах. ФНЧ совместно с естественным спадом отдачи НЧ головки на частотах выше 5 кГц позволяет согласовать АЧХ головок в области частоты разделения без существенной неравномерности.

Рис. 6 Схема разделительного фильтра

Головки включены электрически в противоположной полярности.

В разделительном фильтре использованы проволочные резисторы С5-16 мощностью 5 Вт. Конденсаторы — пленочные К73-16.

Дроссель L1 выполнен бескаркасным и содержит 70 витков провода ПЭТВ-2 диаметром 1,12 мм. Внутренний диаметр катушки — 31 мм. высота — 20 мм. Дроссель L2 намотан на каркасе диаметром 32 мм и высотой 38 мм (использована пустая катушка для припоя) и содержит 110 витков провода ПЭТВ-2 диаметром 1,32 мм.

В случаях замены предпочтительнее применять конденсаторы серий К73, К78 (например, К73-17, К78-12 или иные). Разумеется, для фильтра подойдут и аудиофильские компоненты: конденсаторы Solen и им подобные; дроссели и кабели из бескислородной меди. Однако из объективных параметров громкоговорителя это изменит только один — цену.

На рис. 7 показан чертеж корпуса громкоговорителя. Он изготовлен из фанеры толщиной 18 мм, которую можно заменить ДСП или ДВП (MDF). Для повышения жесткости стенок, а также для удобства крепления задней стенки корпуса использованы деревянные бруски сечением 35×35 мм. Эффективный внутренний объем корпуса — около 12 л.

Рис. 7 Чертеж корпуса громкоговорителя

Труба фазоинвертора (тип TR-45) и клеммная колодка — покупные. На чертеже корпуса отверстие под колодку не показано. Порт фазоинвертора выведен на заднюю стенку корпуса, поэтому при настенном креплении акустическое оформление превратится в закрытое. Параметры трубы для самостоятельного изготовления следующие: длина — 140 мм, внутренний диаметр — 41 мм. При таких параметрах частота настройки фазоинвертора близка к 40 Гц, а расчетная частота среза по уровню -3 дБ — 50 Гц.

Внутренняя поверхность ящика, кроме передней и задней стенок, покрыта слоем пенополиэтилена толщиной 5 мм (на чертеже не показан). Свободный внутренний объем заполнен синтепоном. Пространство вокруг трубы фазоинвертора и между трубой и головкой оставлено свободным. Фильтр закреплен на задней стенке корпуса.

Предлагаемая конструкция имеет невысокую трудоемкость изготовления, но она может быть еще снижена, если в качестве акустического оформления выбрать закрытый ящик. При этом нижняя граничная частота (по уровню -3 дБ) поднимется до 90… 100 Гц (точное значение зависит от количества и вида звукопоглощающего наполнителя в корпусе), что еще приемлемо для громкоговорителя центрального канала.

У Вас может возникнуть резонный вопрос: если преимущества коаксиальных головок столь очевидны, то почему они до сих пор не вытеснили головки обычной конструкции? Дело в том, что кроме очевидных достоинств коаксиальные головки имеют и недостатки. При коаксиальной конструкции больший диффузор выполняет роль рупора для меньшего. Однако такой «рупор» далеко не оптимален: ведь его форма проектируется, прежде всего, для получения наименьшей неравномерности АЧХ на средних частотах. Задача оптимизации формы большого диффузора для одновременного решения обеих задач на сегодняшний день в полной мере не решена. Если сравнить АЧХ громкоговорителя, описанного в данной статье, и АЧХ громкоговорителя Q9C фирмы KEF, показанной на рис. 2, то нельзя не заметить их удивительного сходства в области частот выше 5 кГц. Частоты, на которых наблюдаются пики и провалы АЧХ, у обоих громкоговорителей практически совпадают. В этом и проявляется особенность поведения коаксиальных головок такой конструкции на высоких частотах. Однако в ситуациях, когда требуется высокая пространственная однородность звукового поля, коаксиальным головкам практически нет альтернативы, а громкоговоритель центрального канала — это именно такой случай. Человеческое ухо очень чувствительно к тональному дисбалансу в области средних частот, но легко «прощает» неравномерность АЧХ на высоких частотах.

В громкоговорителе применена модификация головки с сопротивлением звуковой катушки НЧ излучателя, равным 4 Ом. В продаже она встречается под коммерческим названием WP172SCOAX. Ниже приведены основные параметры НЧ секции этой головки.

Основные технические храктеристики

Частота основного резонанса, Гц …40 Активное сопротивление, Ом3,2 Чувствительность, дБ88 Форс-фактор, Н/А5,2 Индуктивность, мкГн 400 Подвижная масса, г13 Эквивалентный объем, л25 Механическая добротность1,8 Электрическая добротность 0,37

Несмотря на то что громкоговоритель получился достаточно басовитым, при его использовании совместно с ресивером для домашнего кинотеатра спектр подаваемого сигнала лучше ограничить снизу частотой 80 Гц, рекомендованной стандартом ТНХ. Это предотвратит возникновение интермодуляционных искажений из-за перегрузки громкоговорителя низкочастотными сигналами и повысит «прозрачность» звучания на средних частотах. А воспроизведением баса пусть лучше займется сабвуфер, в который ресивер направит «отсеченные» низкие частоты.

Источники:

1. Демьянов А. АС пространственного звучания в домашнем кинотеатре. — Радио, 2004, №11, с. 14,15.
2. Официальный сайт фирмы SEAS: https:// www.seas.no/products%202006.htm
3. Дмитрокопуло Д. и Аватинян А. Сравнительный тест: Звуковая ось. — Stereo &Video, 2003, № 6, с. 51-69.
4. Официальный сайт фирмы RIGHTMARK: https://audio.rightmark.org/products/ rmaa.html

Автор: Д. Горшенин, г. Москва

Радиотехника и электроника

Традиционные динамические голов­ки имеют ряд недостатков среди которых наиболее существенны замет­ная неравномерность АЧХ и нелиней­ные искажения, возрастающие с уве­личением мощности и понижением частоты звуковых сигналов. Эти недо­статки обусловлены конструкцией ди­намических головок (несимметричная форма диффузора неравномерное и несимметричное распределение маг­нитной индукции в воздушном магнит­ном зазоре, нелинейность гибкости подвеса подвижной системы и др.). а также технологией их производства. Искажения звуковых сигналов особен­но ощутимы в низкочастотном диапазо­не. где для высококачественного вос­произведения музыкальных сигналов необходима мощность значительно больше, чем для воспроизведения средних и высоких звуковых частот.

Работы по совершенствованию кон­струкций и технологии производства динамических головок ведутся посто­янно. При этом разрабатывают новые формы магнитных систем, звуковых катушек. диффузоров. подвесов подвижных систем, применяют новые материалы. Качество воспроизведения АС с современными динамическими головками существенно повысилось и удовлетворяет большинство потреби­телей, но конструкция головок остается несимметричной. Добиться полной симметрии электромеханической сис­темы в традиционной конструкции динамическои головки пока не удается Для уменьшения четных гармоник в излучении низкочастотных колебаний электродинамическими головками не­которые зарубежные фирмы стали ус­танавливать в колонку четыре однотип­ные головки, размещая на передней панели одну пару диффузорами наружу, а другую пару — диффузорами внутрь ящика, как. например, в низкочастот­ном блоке AC Audio-Pro В4-2000. Установка большого числа одинаковых головок на лицевой панели колонки при расширенной полосе частот создает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности излучения. Оптимальный вариант в решении вопроса высококачественного воспро­изведения низких частот и получения диаграммы направленности излучения без провалов — установка одной пары сдвоенных головок необходимой мощ­ности по типу «диффузор к диффузору». Такое расположение стали применять в выпускаемых зарубежными фирмами АС через несколько лет после опубли­кования статьи о сдвоенных динамиче­ских головках в журнале «Радио».

Сдвоенные динамические головки используются зарубежными фирмами и радиолюбителями при изготовлении акустических систем (АС) для высоко­качественного воспроизведения низких частот звукового диапазона Примером могут быть АС датской фирмы JAMO (JAMO PUSH-PULL JAMO РР3000) (4) и АС С Турина. Сдвоенные головки типа диффузор к диффузору» (рис. 1) используются в АС только для вос­произведения низких частот. Сдваива­ние обычных НЧ головок по этому типу позволяет простым путем получить симметричную конструкцию, превосхо­дящую по нелинейным и частотным искажениям современную НЧ головку аналогичной мощности. Сдвоенные го­ловки типа «диффузор за диффузором.

На (рис. 2) в основном рекомендуется использовать в АС небольшой мощно­сти для воспроизведения всего звуко­вого диапазона с применением широ­кополосных головок. Для повышения качества воспроизведения высоких частот рекомендуется такие АС допол­нить высокочастотной головкой.

Параметры сдвоенных динамичес­ких головок отличаются от параметров одиночных. Детального технико-экономического анализа и расчетов АС с та­кими головками в литературе нет. по­этому часть публикации в журналах по использованию сдвоенных головок со­держат наряду с правильными вывода­ми грубые ошибки. Основными ошиб­ками являются головок. по объединению не двух, а большего их числа, и применение сдвоенных головок типа «диффузор за диффузором» в высококачественных АС.

Прежде чем перейти к особенностям расчета громкоговорителей со сдвоен­ными головками, полезно привести анализ физических процессов, про­исходящих в них и влияющих на их ос­новные параметры, для исключения ошибок при конструировании АС. Фи­зические процессы в головках, сдвоен­ных по типам «диффузор к диффузору» и «диффузор за диффузором», одина­ковы. Разница между ними состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем детально будет описа­но ниже.

Диффузоры сдвоенных головок свя­заны между собой объемом воздуха, заключенного между ними Этот объем должен быть герметизирован во избе­жание нежелательных явлений. Оба диффузора при воспроизведении зву­кового сигнала движутся синфазно. т. е либо оба наружу, либо оба внутрь кор­пуса АС.

Диффузор наружной головки излу­чает звуковые волны во внешнее воз­душное пространство, а диффузор внутренней головки помогает наружно­му преодолевать упругость воздуха внутри корпуса громкоговорителя, имитируя ящик большего объема, и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же одиночной голов­ой при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Объем воздуха между диффузорами в некоторой сте­пени оказывается присоединенной массой, влияя на фактические парамет­ры этого тандема.

Звуковые колебания в объеме возду­ха. заключенного между диффузорами, должны быть синфазными с колебания­ми внешнего диффузора. Однако иде­ально синфазными в широкой полосе они быть не могут, так как с ростом частоты сдвиг по фазе акустических колебаний от внутреннего диффузора и собственно колебаний внешнего диф­фузора нарастает. По этой причине сдвоенные головки могут корректно работать только в той полосе частот, в которой длина звуковых волн много больше расстояния между их диффузо­рами. т. е. только в низкочастотной час­ти звукового спектра. Например, для верхней частоты Fнч 150 Гц полосы нч длина волны

λнч = C3в/Fнч = 344/150 = 229 см. где СзВ — скорость звука в воздухе (м/с).

Среднее расстояние г между диффу­зорами сдвоенных головок 6ГД-2 РРЗ равно 5 см, и разница в фазе колебаний внешнего диффузора и акустических колебаний от внутреннего диффузора составляет:

Δφнч = г/Λ 360 = 5/229 360 = 8 град. На более низких частотах этот фазо­вый сдвиг еще меньше, и это практиче­ски не вносит искажений при воспроиз­ведении реальных звуковых сигналов в полосе НЧ.

Для верхней частоты полосы СЧ. равной 5 кГц, длина волны составит φсч = 344/5000 = 0,069 м = 6.9 см.

Среднее расстояние г между диффу­зорами сдвоенных головок ЗГД-1 РРЗ равно 3 см. и разница в фазе колебаний составит

λφсч = г/λ 360 = 3/6.9· 360 = 155 град.

То есть звуковая волна от внутренне­го диффузора к внешнему придет прак­тически в противофазе и создаст зна­чительный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки, тем более что на этих частотах амплиту­ды колебаний звуковой катушки и диф­фузора СЧ головки значительно мень­ше. чем у ИЧ головок. Это позволяет обеспечить высокое качество звучания средних частот в традиционном вари­анте соответствующими современны­ми головками.

По этой же причине при сдваивании широкополосных головок для вос­произведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуко­вую катушку внутренней головки зашунтировать конденсатором соответствую­щей емкости, сопротивление которого на частоте 10ОО Гц примерно в десять раз меньше модуля электрического сопротивления головки. При этом эффект сдвоенных головок проявится только в полосе НЧ. а сигналы более высоких частот будут воспроизводить­ся только внешней головкой. Для таких АС рекомендуется сдваивать головки по типу диффузор за диффузором. Широкополосные головки лучше вос­производят средние и высокие частоты передней частью диффузора, а некоторые из них снабжены дополнительным конусом для воспроизведения высших частот Естественно, в АС со сдвоенны­ми широкополосными головками каче­ство воспроизведения низких частот существенно улучшится, а объем ящика уменьшится по сравнению с примене­нием в АС таких же одиночных головок. При сдваивании их по типу «диффузор к диффузору» средние и высокие частоты ослабляются фильтром НЧ кроссовера Схемы соединений сдвоенных голо­вок приведены на рис. 3 в соответст­вии с конструктивным способом сдваи­вания. Варианты соединения по схемам на рис. З.а.б не требуют дополнитель­ного блокирования головки внутри кор­пуса на частотах, где задержка по фазе становится существенной.

При «тандемном» объединении, как показано на рис З.в.г. задержка по фазе больше, поэтому необходимы блокирующие реактивные цепи для ограничения полосы эффективного излучения тыловой го­ловки (ВА2).

При объединении в один блок более двух головок появятся недопустимые фазовые сдвиги звуковых волн между крайними головками даже в низкоча­стотном диапазоне из-за большого расстояния между ними, а увеличенные габариты этого блока необходимо до­бавить к расчетному объему ящика АС. В результате общии обьем АС умень­шится не столь существенно, как при сдвоенных головках, но неоправданно увеличится стоимость АС и более мощ­ного усилителя Кроме того, амплитуда колебании диффузора наружной излу­чающей головки в этом случае не может возрасти больше, чем это получается при сдваивании двух головок из-за ограниченных возможностей подвеса и звуковой катушки. Совершенно очевид­но. что, кроме существенных потерь в КПД и полезном объеме ящика АС. в результате увеличения числа головок ничего не получится.

Для высококачественных АС реко­мендуется сдваивать головки по типу «диффузор к диффузору», и только для воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет все виды искажений, особенно четные гармоники, которые вызывают ощути­мые нелинейные искажения.

Приведенный ниже сравнительный анализ покажет что основные парамет­ры сдвоенных головок, касающиеся ка­чества воспроизведения звуковых сиг­налов. существенно выше одиночных.

Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложе­ны в традиционных конструкциях маг­нитных систем с несимметричным и неравномерным распределением маг­нитной индукции в магнитном воздуш­ном зазоре и несимметричной кони­ческой формой диффузоров, обладаю­щих «парашютным эффектом’ сопро­тивления воздуху, а также несимметричным размещением звуковых кату­шек в магнитной системе и нелинейной гибкостью подвесов подвижных системП1-8 сдвоенных головках по типу диф­фузор к диффузору» достигаются сле­дующие эффекты:

— нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенси­руется;

— результирующая форма излучате­ля становится симметричной.

— компенсируется несимметричное расположение звуковых катушек в маг­нитных системах: это наиболее полно достигается путем подбора экземпля­ров головок с одинаковым смещением звуковых катушек, вызванным погреш­ностью в сборке.

— результирующее смещение под­вижной системы в поршневом диапазо­не сдвоенных головок становится сим­метричным относительно магнитной системы вследствие компенсации силы притяжения звуковой катушки с током к магнитопроводу и неравномерности магнитной индукции в зазоре магнит­ной системы.

На рис. 4 показаны сечения звуко­вой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индук­ции В1 и B2 в области зазоров сдвоен­ных головок ВАК БА2. Значения х1 и х2 соответствуют глубине зазора.

В головках сдвоены по типу » диф­фузор за диффузором», устраняются только несимметричное расположение звуковых катушек в воздушных магнит­ных зазора, путем подбора экземпля­ров головок с противоположным сме­шением звуковых катушек, а также неравномерность АЧХ с низкочастотной полосе.

Паспортная мощность электроди­намической ГОЛОВКИ — ЭТО МОЩНОСТЬ, при которой головка может длительно работать без повреждений Эти мощно­сти у сдвоенных головок любого типа в два раза больше, чем у аналогичных ОДИНОЧНЫХ головок.

Электрическое сопротивление электродинамической головки — ве­личина комплексная которая зависит от частоты основного сигнала и дости­гает максимума по модулю на частоте основного резонанса. У сдвоенных головок любого типа при последова­тельном соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном о два раза мень­ше. чем у аналогичных одиночных голо­вок.

Амплитудно-частотная характе­ристика (АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависи­мость 3BvKoeoro давления от частоты воспроизводимого сигнала при неиз­менной подводимой к звуковой катушке мощности, выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравно­мерные АЧХ причем АЧХ разных экземпляров одного и того же типа головок имеют разную неравномер­ность и несколько отличные частоты основного резонанса подвижных сис­тем В сдвоенных головках пики и про­валы в полосе НЧ частично компенси­руются и АЧХ получается более гладкой, а в полосах СЧ и 84 эти головки не работают как сдвоенные по указанным выше причинам.

Коэффициент полезного дейст­вия (КПД) электродинамической голов­ки зависит от параметров ее конструк­тивных элементов:

КПД = k ·B2 Sr ‘эфф/М, где к — коэффициент пропорционально­сти. учитывающий удельное сопротив­ление медного провода и обьем звуко­вой катушки; В — магнитная индукция в воздушном магнитном зазоре; S, эфф — эффективная площадь диффузора; М, — масса подвижной системы.

Из этого соотношения следует, что наибольшее звуковое давление (гром­кость) создают головки с наибольшим, легким диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с дру­гими головками такой же мощности. Однако такие головки требуют большего объема ящика АС. который, как будет показано ниже, прямо пропорционален эффективной площади диффузора, гиб­кости подвеса подвижной системы и обратно пропорционален массе под­вижной системы. В сдвоенных головках эффективная площадь диффузора и гибкость подвеса подвижной системы в два раза меньше, а масса подвижной такая же, как у двух одиночных головок.

В связи с этим результирующий КПД сдвоенных головок уменьшается, одна­ко это окупается снижением всех видов искажений, нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и умень­шением объема ящика АС.

Эквивалентный объем электроди­намической головки — это объем возду­ха в ящике, гибкость которого равна гиб­кости подвижной системы головки В сдвоенной головке подвесы работают параллельно, поэтому результирующая гибкость ее в два раза меньше одной одиночной. Соответственно эквивалент­ный объем сдвоенной головки в два раза меньше одной и в четыре раза — двух одиночных головок :

V-, rr = (V,! + V«3)/4t где V. ч — эквивалентный объем сдво­енной головки; V, lt V 2 — эквивалент­ные объемы одиночных головок.

Частота основного резонанса электродинамической головки с под­вижной системой в виде диффузора гофра, центрирующей шайбы и звуко­вой катушки, обладающей массой и гибкостью, представляет собой меха­ническую резонансную систему.

В сдвоенных головках Мг в два раза больше, а Со в два раза меньше, чем у одиночных головок, поэтому, если не учитывать массу воздуха между диффу­зорами, частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется.

Приведенных параметров достаточ­но для расчета АС со сдвоенными го­ловками.

Методика расчета подобных АС такая же, как и с одиночными головка­ми. Особенность же заключается в пра­вильном определении параметров сдвоенных головок исходя из парамет­ров используемых одиночных головок.

Объем ящика АС определяется из зависимости частоты основного резо­нанса головки от его объема. При уста­новке любой головки в ящик закрытого типа частота основного резонанса повышается, и тем больше, чем меньше объем ящика. Основным параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропор­циональна его объему и обратно про­порциональна эффективному диаметру диффузора в четвертой степени:

Ся= 1,14Vя/D4дэфф.

Из этой зависимости следует, что гибкость воздуха в большей степени зависит от диаметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдво­енной головки относительно двух одиночных существенно повышает Ся. Нельзя счи­тать, что эквивалентный диа­метр сдвоенных головок в два раза меньше двух оди­ночных. Пересчет нужно вес­ти через эффективную пло­щадь диффузоров, т. е. экви­валентный диаметр двух одиночных головок будет равен

2Sя эфф = ¶D²экв/4.

Из этого следует: Dэфф = 1,41Dэфф.

Эффективный диаметр диффузора сдвоенных головок меньше в 1.41 раза по сравнению с эквивалентным эффек­тивным диаметром двух одиночных головок.

Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует допол­нительных затрат труда и материалов.

Если ящик окажется больше желае­мого, тогда придется выбрать несколь­ко выше fp или и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее тру­доемко, чем изготовление проверочно­го ящика.

В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС. с учетом приведенных выше изменений параметров, пригодны для конструиро­вания АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с рупором, ПАС и т. п.). При конструировании АС со сдвоенны­ми головками необходимо учитывать, что головки вместе с элементами крепления занимают определенный объем, который необходимо прибавлять к рас­считанному объему ящика. Максималь­ное качество звучания достигается при установке сдвоенных головок в фазоинвертор. Для более рационального ис­пользования объема ящика АС автором разработана высококачественная АС с применением НЧ узла, защищенного авторским свидетельством. Также рекомендуются варианты установки сдвоенных головок, приведенные на рис. 5.

Выходные отверстия могут быть круглыми, овальными или прямоугольными, открытыми или закрытыми деко­ративными решетками. В качестве ма­териала для ящиков рекомендуется применять ДСП которая более доступ­на и не издает призвуков, как фанера или доска. Учитывая, что внутренняя головка демпфирует отраженные звуко­вые волны внутри ящика, звукопо­глощающее покрытие внутренних сте­нок можно не применять.

Все варианты акустического оформ­ления на рис 5 предусматривают связь с внешним воздушным пространством через некоторое подобие рупора, кото­рый улучшает согласование высокого механического сопротивления элект­ромеханической системы сдвоенных динамических головок с низким сопро­тивлением излучения, что дополни­тельно повышает качество звучания АС.

Метки:

Динамические головки, Звуковые колебания, НЧ головки, Сдвоенные головки, Электродинамические головки.

Рисунки к патенту РФ 2454824

Область техники

Изобретение относится к громкоговорителям. Более конкретно, оно относится к динамической головке нового типа, которая, согласно одному из предпочтительных вариантов, может быть составной динамической головкой, особенно эффективной в применениях со среднечастотным и высокочастотным воспроизведением звука.

Уровень техники

Комбинированные громкоговорители обычно содержат, по меньшей мере, две динамические головки, которые обеспечивают воспроизведение в соответствующих низкочастотной и высокочастотной полосах. Низкочастотные и высокочастотные динамические головки традиционно выполнялись в виде отдельных узлов. При этом для обеспечения высококачественного воспроизведения, без выбросов по интенсивности и направлению, динамические головки устанавливались более или менее соосно. Подобные улучшенные составные динамические головки громкоговорителей обычно являются низко- или среднечастотными узлами, интегрированными с высокочастотными динамическими головками. При этом каждая высокочастотная головка крепится отдельно, впереди или в непосредственной близости относительно низкочастотной звуковой катушки в составе системы. В US 5548657 описаны примеры подобных устройств, в которых высокочастотная динамическая головка была встроена в низкочастотную звуковую катушку и отделена от обмотки этой катушки зазором, достаточным для обеспечения бесконтактного осевого перемещения звуковой катушки.

Другие известные из уровня техники примеры составных или соосных динамических головок могут быть найдены в следующих публикациях: US 6493452; US 5604815; US 6356640; US 6745867.

Качество известных конструкций обычно страдает от акустического рассогласования между высокочастотной диафрагмой и смежными акустическими поверхностями, в основном низкочастотным конусом и окружающими его деталями. Если высокочастотная диафрагма выдвинута вперед относительно горловины низкочастотного конуса (см. US 6493452 и US 6356640), часть излучения от высокочастотной диафрагмы будет направляться назад, к низкочастотному конусу, а затем отражаться от него обратно, т.е. вперед. В результате возникнет интерференция с излучением высокочастотной диафрагмы, распространяющимся вперед. Это ухудшит высокочастотные параметры высокочастотной диафрагмы вследствие эффекта гребенчатого фильтра в акустической частотной характеристике системы.

В US 5548657 описан другой тип акустического рассогласования между конусом (21) и высокочастотной диафрагмой (27), когда между конусом и кольцевым экраном (44) высокочастотной динамической головки оставлен круговой зазор, чтобы обеспечить возможность осевого перемещения низкочастотного конуса. Наличие такого зазора создает рассогласование в акустическом сопряжении высокочастотной диафрагмы. В результате, вследствие круглой формы этой диафрагмы и радиального характера излучаемого ею волнового фронта, как правило, имеет место значительная дифракция на оси излучения, испускаемого системой. Частотный интервал для подобной дифракции, в зависимости от используемой геометрии динамической головки, обычно соответствует 2-20 кГц. Аналогичное явление может вызываться также наличием гибкого охватывающего наружного компонента (22), приводящего к акустическому рассогласованию, результатом которого является, как и в описанном случае со звуковой катушкой, радиальная дифракция, но на других частотах. В US 6745867 описана попытка устранить эту проблему путем повышения гладкости указанного наружного компонента.

В целом известным попыткам создания громкоговорителя с составной головкой свойственны недостатки, состоящие в сложности механических конструкций и в дифракционных проблемах, обусловленных геометрическими неоднородностями диафрагмы. Дифракционные проблемы обычно приводят к ухудшению частотной характеристики и управления направленностью.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании низко- или среднечастотной динамической головки, которая может использоваться в громкоговорителях с составной головкой и которая обеспечивает преодоление, по меньшей мере, одного из рассмотренных недостатков. Для решения этой задачи предлагается новый принцип построения среднечастотной динамической головки, на основе которого обеспечивается акустическое сопряжение, реализуемое посредством двойной радиальной подвески диафрагмы с использованием пушпульного принципа линеаризации осевого перемещения с целью уменьшения акустических искажений для среднечастотной динамической головки.

Другая задача, решаемая изобретением, состоит в реализации принципа, согласно которому акустическое сопряжение высокочастотной диафрагмы с воздушной средой является, насколько это возможно, непрерывным, т.е. геометрия частей, непосредственно ограничивающих диафрагму с передней стороны, свободна от резких переходов и разрывов, особенно радиального типа, которые могли бы вызвать вторичное акустическое излучение, что привело бы к акустической интерференции между излучением, испускаемым непосредственно диафрагмой, и этим вторичным излучением. В результате достигается улучшение частотной характеристики высокочастотной динамической головки системы в осевом и внеосевых направлениях.

Изобретение основано на использовании нового типа динамической головки громкоговорителя, содержащей, по существу, жесткое шасси и, по существу, гибкие элементы подвески, которые приводятся в движение, по существу, жесткой основной (т.е. звукоизлучающей) вибрирующей диафрагмой.

Более конкретно, устройство согласно изобретению характеризуется признаками, включенными в независимый пункт формулы изобретения.

Использование изобретения дает существенные преимущества. По сравнению с известными конструкциями изобретение обеспечивает ослабление дифракционных компонентов в составе акустического излучения, что приводит к более гладкой частотной характеристике и к улучшенной управляемости по направлению. Благодаря улучшенной линейности подвески изобретение обеспечивает уменьшение нелинейных акустических искажений. Кроме того, поскольку изобретение обеспечивает простую механическую конструкцию, при его изготовлении могут быть использованы известные компоненты и технологии, что обеспечит экономическую эффективность осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее будут подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, описаны некоторые варианты изобретения.

На фиг.1 в разрезе представлена динамическая головка с цельной диафрагмой, используемая в соосном варианте.

На фиг.2 в разрезе представлена динамическая головка с разделенной диафрагмой, используемая в соосном варианте.

На фиг.3 составная динамическая головка показана с пространственным разделением ее частей.

На фиг.4 представлен график, иллюстрирующий зависимость между осевым смещением и жесткостью подвески диафрагмы.

На фиг.5 иллюстрируется влияние использования внутреннего радиального зазора шириной 1 мм на частотную характеристику малогабаритного громкоговорителя для воспроизведения верхних звуковых частот (твитера), использующего купол диаметром 25 мм и установленного внутри каркаса звуковой катушки диаметром 40 мм.

Осуществление изобретения

В контексте изобретения термин жесткие относится к конструктивным элементам, которые не испытывают существенных вибраций в результате приложения к ним электромеханической силы, генерируемой какой-либо звуковой катушкой в составе системы, тогда как термин упругие соответствует конструктивным элементам, которые под действием приложения к ним электромеханической силы, генерируемой какой-либо звуковой катушкой в составе системы, изгибаются, сжимаются или расширяются. Далее, термин направление вперед (прямое направление) означает направление, в котором начинают распространяться звуковые волны, формируемые громкоговорителем, т.е. направление, при движении по которому диафрагма приближается к предполагаемому приемнику звука. И, наоборот, термин направление назад (обратное направление) означает направление, противоположное прямому направлению. Соответственно, термины передняя и задняя соответствуют сторонам громкоговорителя, которые расположены по направлениям вперед или назад. Термин «каркас звуковой катушки» используется применительно к любому конструктивному элементу, способному обеспечить механическое сопряжение звуковой катушки и вибрирующей диафрагмы, хотя подразумевается, что между названными компонентами может существовать и непосредственная связь.

Как показано на фиг.1, согласно одному из вариантов изобретения громкоговоритель образован жесткой рамой, содержащей следующие компоненты: жесткую наружную часть 11 и жесткую внутреннюю часть 8, а также следующие дополнительные компоненты: сопрягающий элемент 12 (для высокочастотной динамической головки), магнитный полюсный наконечник 19, а также передний и задний фланцы 14, 15 магнитопровода, которые будут рассмотрены далее. Жесткая рама присоединена к корпусу громкоговорителя или образует, по меньшей мере, его часть. Внутри рамы находится жесткая внутренняя часть 8 и звукоизлучающие, т.е. вибрирующие, части, которые расположены либо между наружной и внутренней жесткими частями 11, 8, либо в пределах жесткой внутренней части 8. Далее эти наружная и внутренняя жесткие части 11, 8 будут именоваться шасси 11 узла головок и шасси 8 высокочастотной динамической головки соответственно.

Более конкретно, узел 22 головок (т.е. составная динамическая головка) имеет составную конструкцию, смонтированную на шасси 11 узла головок. Другими словами, на шасси 11 узла головок установлены среднечастотная динамическая головка и высокочастотная динамическая головка, которая встроена в каркас 6 звуковой катушки в составе среднечастотной динамической головки, показанный на фиг.1 и 2. На этих фигурах, соответствующих видам в разрезе, вертикальная пунктирная линия соответствует воображаемым осям вращательной симметрии. Ось симметрии каркаса 6 звуковой катушки среднечастотной динамической головки необязательно совпадает с осью звуковой катушки 20 высокочастотной динамической головки, хотя такое выполнение представляется наиболее практичным. Звуковая катушка 20 высокочастотной головки всегда является небольшой: ее диаметр обычно составляет 10-55 мм. Шасси 11 узла головок соединено своей задней стенкой с фланцем 14 магнитопровода. Указанный фланец 14 прикреплен также к заднему фланцу 15 магнитопровода. Между этими двумя фланцами установлен постоянный магнит 13, создающий постоянное магнитное поле в воздушном зазоре 23. Согласно одному из вариантов постоянный магнит 13 имеет форму кольца из ферритного материала (например, марки «Ferroxdure 300») с наружным диаметром 134 мм и высотой 20 мм. Плотность В магнитного потока в воздушном зазоре 23, которая предпочтительно должна составлять 1,4 Т, обеспечивается при выборе высоты и ширины зазора, составляющих соответственно 6 мм и 1,35 мм.

Фланцы 14 и 15, центральный полюсный наконечник 19 и постоянный магнит 13 образуют магнитную систему, относительно которой перемещаются звуковые катушки динамических головок. Центральный полюсный наконечник 19 магнитной системы прикреплен также к сопрягающему элементу 12 (для высокочастотной головки), который соединяет шасси 11 узла головок с шасси 8 высокочастотной динамической головки. Шасси 8 высокочастотной динамической головки может быть использовано для размещения на нем диафрагмы 7 высокочастотной динамической головки, содержащей, как это показано на фиг.1, магнит и обмотку звуковой катушки 20 этой головки. Шасси 8 высокочастотной динамической головки можно рассматривать также как монтажный компонент для диафрагменного блока 21. Шасси 8 высокочастотной динамической головки предпочтительно может иметь угол раскрытия между 30° и 80° (данный угол измеряется, как угол между осью перемещения звуковой катушки 20 и касательной к указанному шасси 8 в радиальном направлении). Блок звуковой катушки — содержащий ее обмотку 9 и каркас 6 — перемещается под действием электромагнитных сил, возникающих в результате взаимодействия постоянного магнита 13 и обмотки 9 звуковой катушки при протекании через нее тока. Приемлемый диаметр данной обмотки может быть выбран между 15 мм и 110 мм.

Диафрагменный блок 21 прикреплен по своей внешней кромке 5 к шасси 11 узла головок, а по своей внутренней кромке 10 — к шасси 8 высокочастотной динамической головки. Данный блок содержит, по существу, жесткую основную вибрирующую диафрагму 4, прикрепленную к его поверхности. В типичных вариантах это прикрепление осуществляется приклеиванием, термоламинированием, сваркой или отливанием диафрагм 1 и 4 в виде единой детали, причем основная вибрирующая диафрагма 4 может находиться с передней или с задней стороны упругой диафрагмы 1 или составлять с ней неразрывное целое. Сама упругая диафрагма 1 предпочтительно выполнена из упругой пенорезины, в частности из резины EPDM-NR-SBR с закрытыми порами, приемлемая толщина слоя которой может составлять 0,1-6 мм, предпочтительно около 2 мм, твердость которой составляет 20-50 единиц по Шору, а диаметр — около 120 мм. Диафрагма 1 и основная вибрирующая диафрагма 4 могут быть соединены посредством неопренового адгезива. В любом варианте необходимо обеспечить прочную связь с основной вибрирующей диафрагмой 4, приемлемый диаметр которой может составлять 35-250 мм, а приемлемая толщина — 0,05-5 мм. В конкретном варианте основная вибрирующая диафрагма 4 предпочтительно изготовлена из глубокотянутого алюминиевого листа толщиной 0,2 мм и имеет диаметр 100 мм. При этом основная вибрирующая диафрагма 4 может иметь угол раскрытия между 30° и 80° (данный узел измеряется, как угол между осью перемещения звуковой катушки 20 и касательной к диафрагме 1 в радиальном направлении). В предпочтительном варианте данный угол равен 63°.

Между основной вибрирующей диафрагмой 4 и шасси 11 узла головок оставлен зазор, чтобы упругая диафрагма 1 могла функционировать как гибкий элемент подвески, допускающий осевое перемещение основной вибрирующей диафрагмы 4. Этот зазор далее именуется наружным радиальным зазором. Наружный радиальный зазор полностью перекрыт наружной радиальной секцией 2 упругой диафрагмы 1. Чтобы упругая диафрагма 1 могла функционировать как гибкий элемент подвески, допускающий осевое перемещение основной вибрирующей диафрагмы 4, оставлен также зазор между основной вибрирующей диафрагмой 4 и шасси 8 высокочастотной динамической головки. Этот зазор, который далее именуется внутренним радиальным зазором, полностью перекрыт внутренней радиальной секцией 3 упругой диафрагмы 1. Стык между гибкой диафрагмой и шасси 11 узла головок, т.е. интерфейс между внешней кромкой 5 диафрагменного узла и шасси 11, выполнен гладким и непрерывным, чтобы минимизировать акустическую дифракцию и улучшить акустическую связь с диафрагмой 7 высокочастотной динамической головки, особенно при соосном варианте размещения. В общем случае приемлемая гладкость (непрерывность) радиального профиля может характеризоваться осевым смещением между диафрагмой 1 и шасси 11 узла головок (измеренным у внешней кромки 5), меньшим 2 мм, и осевым смещением между диафрагмой 1 и высокочастотным шасси 8 (измеренным у внутренней кромки 18), также меньшим 2 мм.

Основная вибрирующая диафрагма 4 присоединена к каркасу 6 звуковой катушки, на другом конце которого находится обмотка 9 звуковой катушки. Каркас 6 звуковой катушки может быть изготовлен из катаного алюминиевого листа толщиной 0,1 мм и иметь диаметр 51 мм и длину 30 мм. При этом обмотка 9 звуковой катушки может быть выполнена из алюминиевой проволоки диаметром 0,3 мм, плакированной медью, причем обмотка может быть двухслойной и быть навита на длине 7 мм. Обмотка 9 звуковой катушки взаимодействует с постоянным магнитом 13 посредством индуцированных электромагнитных сил. Осевое перемещение обмотки 9 звуковой катушки передается ее каркасом 6 основной вибрирующей диафрагме 4. Поскольку основная вибрирующая диафрагма 4 соединена с обмоткой 9 звуковой катушки через каркас 6 этой катушки, а диафрагменный блок 21 присоединен к шасси 8 высокочастотной динамической головки, как правило, отпадает необходимость в применении традиционной осевой подвески типа крестовины.

При осевом перемещении основной вибрирующей диафрагмы 4 ее движение передается диафрагменному блоку 21. Это осевое движение вынуждает наружную и внутреннюю радиальные секции 2, 3 деформироваться в осевом и радиальном направлениях в зависимости от указанного движения. Взаимосвязь между жесткостью радиальных перемычек и осевым смещением диафрагменного блока 21 иллюстрируется фиг.4. Геометрия указанной деформации для наружной и внутренней гибких радиальных перемычек имеет симметричный характер в отношении положительного и отрицательного (т.е. прямого и обратного) смещений. Комбинация наружной радиальной секции 2, основной вибрирующей диафрагмы 4 и внутренней радиальной секции 3 может рассматриваться как эквивалент комбинации пружинный элемент — жесткий компонент — пружинный элемент, в которой каждый из пружинных элементов имеет нелинейный характеристический график жесткость — смещение, причем графики для обоих элементов, по существу, взаимно симметричны в отношении смещения. Такая характеристика обеспечивает повышение линейности (линеаризацию) суммарной жесткости осевой подвески диафрагменного блока 21. Это, в свою очередь, обеспечивает существенное ослабление генерируемых динамической головкой акустических искажений в виде четных гармоник по сравнению с использованием единственной гибкой радиальной секции.

Как показано на фиг.2, основная вибрирующая диафрагма 4 может быть прикреплена к диафрагменному блоку 21 таким образом, что она образует радиальную секцию между наружной и внутренней радиальными секциями 2, 3. В этом варианте отсутствует гибкая диафрагма 1, перекрывающая основную вибрирующую диафрагму 4, как это имело место в варианте по фиг.1. Действительно, при рассмотрении динамической головки спереди диафрагменный блок 21 будет разделен на три соосных кольцевых секции, причем основная вибрирующая диафрагма 4 образует среднюю радиальную секцию, совершающую осевое перемещение. Основная вибрирующая диафрагма 4 прикреплена к внутренней и наружной радиальным секциям 3, 2 своими выступающими присоединительными фланцами. Это прикрепление обычно осуществляется приклеиванием, термоламинированием или совместным формованием. Внутренняя радиальная секция 3 прикреплена к шасси 8 высокочастотной динамической головки по своей внутренней кромке 10 подобно тому, как это было сделано в варианте по фиг.1. Это относится и к прикреплению наружной радиальной секции 2 к шасси 11 узла головок. Прикрепление внутренней радиальной секции 3 к шасси 8 высокочастотной динамической головки является критичным, поскольку требуется сформировать интерфейс, который должен быть гладким, насколько это возможно, чтобы минимизировать акустическую дифракцию и улучшить акустическую связь с диафрагмой 7 высокочастотной динамической головки, особенно при соосном варианте размещения. Это требование, как было отмечено выше, относится и к соединению между внешней кромкой 5 диафрагменного блока и шасси 11 узла головок. Если бы между внутренней радиальной секцией 3 и высокочастотным шасси 8 имелся зазор, это привело бы (как показано на фиг.5) к ухудшению частотной характеристики. В конструкции согласно изобретению высокочастотная полоса в типичном варианте соответствует интервалу 3-20 кГц при средней чувствительности 88 дБ/Вт/м. Среднечастотная полоса в типичном варианте соответствует интервалу от 450 Гц до 3 кГц при средней чувствительности 94 дБ/Вт/м.

Как и в варианте, описанном со ссылкой на фиг.1, основная вибрирующая диафрагма 4 дополнительно связана с обмоткой 9 звуковой катушки, которая присоединена к внутреннему выступающему присоединительному фланцу данной диафрагмы 4 через каркас 6 звуковой катушки. Наружная и внутренняя радиальные секции 2, 3 реагируют на осевое перемещение основной вибрирующей диафрагмы 4 соответствующей деформацией, как это было описано применительно к варианту по фиг.1. Данная деформация соответствует модели, представленной на фиг.4.

На фиг.3 вариант по фиг.1 представлен с пространственным разделением частей и в собранном виде, чтобы лучше проиллюстрировать части конструкции.

Наружное установочное кольцо 31 имеет опорную поверхность 17 (см. фиг.1 и 2), которая наклонена внутрь и которая формируется с высокой точностью, чтобы принять внешнюю кромку 5 диафрагменного блока 21. На фиг.3 показаны два гибких вывода 32 звуковой катушки, которые отходят от ее обмотки 9. Усилитель мощности или аналогичный компонент может быть подключен к обмотке 9 звуковой катушки (к ее гибким выводам 32) через пассивные разделительные фильтры (не изображены). Эти фильтры могут быть заменены активными электронными фильтрами, включенными перед усилителями мощности, каждый из которых приводит в действие свою звуковую катушку 9, 20 сигналами в соответствующей полосе частот при возможном использовании частотной коррекции в дополнение к динамическим головкам.

Описанные варианты представляют только две возможные предпочтительные альтернативы. Существует, разумеется, множество путей осуществления изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле. Например, основная вибрирующая диафрагма 4 может быть выполнена аналогично наружной и внутренней радиальным секциям 2, 3, образуя вместе с ними единую конструкцию, соответствующие части которой обладают жесткими и гибкими свойствами. Такие свойства могут быть, по меньшей мере, теоретически реализованы при изготовлении диафрагмы из однородного материала, имеющего на различных участках различные толщины или значения жесткости.

Делаем сами акустическую колонку со сдвоенной головкой

Опубликован частный материал про то как собрать акустическую систему с двойными СЧ или НЧ динамиками. Все описано простым языком для начинающих, но наше мнение остаеться тоже, что и было, лучше купите у нас.

Сдвоенная головка обладает некоторыми преимуществами по сравнению с одиночной. Например, у нее более гладкая амплитудно-частотная характеристика, нелинейные искажения меньше, нужный объем ящика акустического оформления тоже меньше.

Амплитудно-частотная характеристика сглаживается, так как головки, из которых состоит сдвоенная головка, взаимно демпфируются. У каждой одиночной головки в пределах допускаемых отклонений есть своя неравномерность АЧХ, обусловленная технологией производства, так что на АЧХ частоты пиков и провалов не совпадают. Часть этих пиков с провалами в сдвоенной головке взаимно компенсируются. Смотреть схему на рисунке №1.

Здесь нелинейные искажения уменьшаются, ведь сдвоенная головка – это симметричная электро-механоакустическая система, в отличие от одиночной. Из-за этого с ее обеих сторон сопротивление воздушной среды почти одинаковое. Оно обусловлено конструктивными особенностями головки, свойствами материала. У головок некоторых типов отсутствует различие гибкости подвеса при движении диффузора вперед или назад. В сдвоенной головке также не проявляется асимметрия распределения магнитной индукции, которая в зазоре магнитной системы и отрицательно влияет на уровень 2-й гармоники.

В низкочастотном звене требуется одна мощная сдвоенная головка. Ее можно поместить на горизонтальной доске, под которой расположен рупор, что направляет звук к слушателю и согласовывает механическое сопротивление с воздушной средой подвижной системы головки.

Объем ящика уменьшается, ведь результирующая гибкость подвеса такой головки снижается вдвое по сравнению с одиночной. А масса подвижной системы сдвоенной головки увеличивается в такое же количество раз. Именно поэтому не изменяется частота основного механического резонанса.

Чтобы сохранить расчетную резонансную частоту сдвоенной головки, требуется ящик в акустическом оформлении, у которого объем в два раза меньше, чем для одиночной головки такого же типа.

Может показаться, что увеличение числа головок, которые работают на одно отверстие АС, еще в большей степени позволяет уменьшить ее габариты. Но практически не получается сблизить головки настолько, чтобы геометрические размеры не отразились на фазовых сдвигах волн звука, которые излучаются крайними головками. Длина пути распространения волн, если считать от крайней внутренней до крайней наружной головки, соизмерима с длинами излучаемых волн. А это в итоге приводит к тому, что звуковые сигналы вычитаются и искажаются. Кстати, именно поэтому нельзя сдваивать среднечастотные и высокочастотные головки. К тому же, в данном случае станет ощутимым снижение КПД.

Итак, предлагаем читателям АС — громкоговоритель-фазо-инвертор, полезный внутренний объем которого — 50 л. Здесь применена сдвоенная головка из 6ГД 2 как низкочастотный излучатель. А как средне- и высокочастотный используются, соответственно, 15ГД-11, 6ГД-13. Вы также можете подобрать и другие динамики. Установлена сдвоенная головка на наклонной доске, ведь такое расположение доски со сдвоенной головкой позволяет рациональнее использовать объем ящика, а это уже позволяет уменьшить габариты АС и ее массу.

Главные технические характеристики АС таковы:

Номинальная мощность равна 12 Вт

Паспортная мощность – не менее 30 Вт

Номинальный диапазон частот – 30-18000 Гц

Номинальное электрическое сопротивление здесь 4 Ом.

Так как применяются высокоэффективные низкочастотные головки 6ГД-2, то при небольшой номинальной мощности (а именно, 12 Вт) громкость звучания не уступает промышленным АС, мощность которых 30 Вт. А ели говорить о качестве звучания, то большинство людей предпочитает АС, которая описывается ниже. Принципиальная схема АС изображена на рисунке № 2, а конструкция изображена на рисунке №3.

Ящик у АС (3) сделан из древесно-стружечной плиты, толщина которой 2 см, обклеенной бумагой, которая имитирует ценные породы древесины. В ней сдвоенная головка (17) закрепляется на доске (10), а среднечастотная головка (12) и высокочастотная (16) закрепляются на передней стенке (4). Что касается задней стенки (15), она съемная. От ящика среднечастотная головка изолирована боксом (13), который изготовлен из фанеры толщиной 1 см и закреплен на стенке (4) при помощи уголков (11) и шурупов.

Далее, туннель фазоинвертора (14), у которого внутренний диаметр 5 см и длина 10 см, склеен из 4-х слоев электрокартона, толщина которых 0,5 мм. Он закреплен в отверстии передней стенки (то есть 4) клеем.

Выходное отверстие у рупора сдвоенной головки (17) закрывается решеткой (дет. 1, 2), а отверстия, которые находятся напротив среднечастотной и высокочастотной головок, —выпуклыми металлическими сетками (соответственно, 6 и 8) вместе с кольцевыми декоративными обрамлениями (соответственно, 5 и 7). Рамку (1) согнули из полосы из алюминиевого сплава, сечение которой 5 х 20 мм. У прутьев (2) диаметр — 4 мм. Они изготовлены из нержавеющей стали, затем вставлены с помощью клея в отверстия, которые просверлены в верхней и нижней стороне рамки с шагом 2 см.

Отверстия под туннель фазоинвертора и кольцевые обрамления отверстий для остальных головок согнуты из полосы из того же материала сечением 5 х 10 мм. Обрамление среднечастотной головки (5) крепится с помощью четырех шпилек с резьбой МЗ, которые вставлены при помощи клея в отверстия, у которых диаметр 3,2 мм, глубина 7 мм. Отверстия просверлены в торце кольца с той стороны, которая обращена к панели (4). Перед вырезанием отверстия под головку (12) надо в передней стенке выбрать по наружному диаметру обрамления (то есть, 5) канавку шириной 20 мм, глубиной 2-3 мм с помощью кругореза с резцом, стамеской. Начиная собирать конструкцию, сначала закрепляют головку (12), потом при помощи проволочных скобок или гвоздей закрепляют сетку (6), а уже затем устанавливают на свое место обрамление (5), дополнительно прижимающее сетку к панели (4). Также в проточке передней панели закрепляют обрамление (7) высокочастотной головки (то есть, 16) при помощи клея.

Чтобы придать АС нормальный вид, наружные торцы рамки (1), обрамлений (5, 7, 9) требуется отполировать до блеска, а также окрасить черной краской их боковые поверхности (и внутренние, и наружные). В черный цвет нужно окрасить также металлические сетки (то есть, 6, 8), а еще внутренние поверхности туннеля фазоинвертора, поверхности рупора сдвоенной головки, также диффузородержатель нижней головки, а именно 6ГД-2, а еще всю площадь круга, что под сеткой (6), часть диффузородержателя головки (12), обращенную к слушателю, головки винтов, которые крепят ее.

Катушки L1, L2 из разделительного фильтра намотаны на каркасах с помощью провода ПЭВ-2 1,3. У каркасов диаметр 35 мм и длина 100 мм. У каждой приблизительно по 460 витков (а именно 6 слоев где-то по 75-76 витков).

Что касается конденсаторов C1, C3 — это МБГП, МБГО и подобные.

Монтируя АС, надо обратить внимание на то, с какой полярностью подключаются головки 6ГД-2, ведь при ошибке возникает акустическое короткое замыкание. При этом наружная головка — это ВА1.

Чтобы улучшить демпфирование сдвоенной головки, можно обклеить внутреннюю поверхность ящика АС звукопоглощающим материалом или же обить ее этим материалом.

Можно головку 6ГД-2 заменить на 8ГД-1, головку 15ГД-11 заменить на 4ГД-8 либо 5ГДШ-5-4, головку 6ГД-13 заменить на 3ГД-2. При этой замене размеры ящика сохраняются.

Вопросы модернизации электродинамических головок

В статье описаны конструктивные особенности промышленных электродинамических головок, причины, вызывающие нелинейные, интермодуляционные, фазовые и частотные искажения, приведены предложения по модернизации основных элементов и узлов головок на рассмотрение и обсуждение специалистами и радиолюбителями, занимающимися конструированием акустических систем. В статье также дано описание основных физических процессов, происходящих в головках при воспроизведении звуковых сигналов, для привлечения к этому вопросу начинающих радиолюбителей.

Претензии к конструкции и электромеханическим параметрам электродинамических головок, особенно работающих в низкочастотном (НЧ) диапазоне звуковых частот, остаются по сей день. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации ведущих специалистов по акустике. «Несмотря на длительный период развития техники громкоговорителей и большое количество работ, посвященных анализу физических явлений и методов расчета различных линейных и нелинейных процессов, происходящих в элементах подвижной системы и магнитной цепи, имеется еще много проблем, требующих… своего решения…» [1]. В статье будут приведены предложения автора по модернизации основных элементов и узлов электродинамической головки, позволяющие улучшить ее технико-экономические параметры. Также хочется попросить радиолюбителей, среди которых много талантливых технически грамотных специалистов, принять участие в обсуждении и решении вопросов, касающихся высококачественных электродинамических головок для акустических систем (АС), относящихся к категории Hi-Fi. Чтобы суть поставленной задачи была понятна и начинающим и опытным радиолюбителям, полезно коротко обратиться к истории возникновения электродинамической головки (громкоговорителя) и охарактеризовать ее основные конструктивные недостатки и причины, создающие нелинейные, частотные, фазовые искажения и технологические издержки.

Электродинамическая головка с коническим диффузором была запатентована в 1877 г., в 1909 г. запатентована центрирующая шайба, в 1923 г. были запатентованы фланцы из магнитно-мягкой стали для магнитной системы и гофрированный подвес диффузора. В 1925-1926 гг. были описаны основные узлы и принцип устройства электродинамического громкоговорителя промышленного типа в патентах Великобритании, после чего была создана первая промышленная модель громкоговорителя. Несмотря на то, что в последующие периоды появилось множество патентов по совершенствованию громкоговорителей, принцип его устройства остался неизменным со всеми характерными недостатками до настоящего времени [1]. Традиционная конструкция электродинамической головки показана на рис.1. АС с современными динамическими головками удовлетворяют многих потребителей, но качество их звучания отличается от «живого» звука, причины чего приведены ниже.

Учитывая, что наибольшие амплитуды колебаний диффузора и подводимая мощность необходимы для воспроизведения звуковых сигналов в диапазоне низших частот, где максимально проявляются недостатки традиционной конструкции электродинамической головки в части минимизации нелинейных, частотных и фазовых искажений, статья будет посвящена только низкочастотным головкам, в которых колебания диффузора носят поршневой характер.

Если длина звуковой катушки будет равна длине воздушного магнитного зазора, то при увеличении напряжения сигнала звуковая катушка будет выходить из магнитного зазора, и чем больше, тем меньше будет оставаться витков в магнитном поле и тем больше будет несоответствие увеличения силы, воздействующей на диффузор звуковой катушкой, увеличению электрического сигнала.

Движущая сила, действующая на катушку:

F = В I L

,

где:

.

— индукция магнитного поля в зазоре;
.
— ток звуковой катушки;
.
— длина части провода катушки, находящейся в магнитном поле воздушного магнитного зазора.

Из этой зависимости видно, что при увеличении тока сигнала уменьшается часть провода в зазоре. В результате увеличение движущей силы F не соответствует увеличению тока сигнала в катушке, что порождает искажения излучаемых звуковых сигналов, которые называются нелинейными. Если в низкочастотном сигнале присутствует сигнал более высокой звуковой частоты даже небольшой амплитуды, то уменьшение движущей силы, вызванное низкочастотным сигналом, уменьшит и излучение высокочастотного звукового сигнала, что является не чем иным, как амплитудной модуляцией высокой частоты низкой. При такой модуляции возникают две боковые частоты: f ±f, т.е. в звуковом сигнале появляются частоты, которых нет в электрическом сигнале. Такие искажения называются интермодуляционными. Нелинейные искажения динамических головок также вызываются асимметричным и неравномерным распределением магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы, нелинейностью гибкостей подвеса диффузора и центрирующей шайбы.

На амплитудно-частотные и фазовые искажения в низкочастотном (поршневом) диапазоне, в основном оказывают влияние параметры подвесов, упругость и масса диффузора, параметры магнитных систем, резонансные и переходные процессы подвижных систем динамических головок.

Для обеспечения большой амплитуды колебаний диффузора с допустимым уровнем нелинейных искажений есть два варианта.

В первом варианте длина звуковой катушки должна быть больше длины воздушного зазора магнитной системы, что характерно для серийно выпускаемых динамических головок.

Во втором варианте длина воздушного магнитного зазора должна быть больше длины звуковой катушки. В первом варианте легко заметить, что работу по перемещению диффузора совершают только те витки, которые находятся в магнитном поле, а остальные бездействуют при потреблении такого же тока. Естественно, это снижает КПД головки. В современных условиях с этим можно смириться для получения необходимого уровня воспроизведения низших частот звуковых сигналов путем увеличения мощности УМЗЧ. Одним из препятствий для достоверного воспроизведения звуковых сигналов является асимметрия и неоднородность магнитного поля в воздушном магнитном зазоре (рис.2), которые характерны для первого варианта. Асимметрия магнитного поля порождает вторую гармонику, а неоднородность — третью гармонику, т.е. нелинейные искажения [2]. В коротком воздушном зазоре избавиться от асимметрии и неоднородности магнитного поля практически невозможно, так как сечение магнитопровода (цилиндрические сечения верхней шайбы), перпендикулярное силовым линиям, недостаточно для подвода всего магнитного потока к зазору, кроме того, оно уменьшается на пути к нему. Чем ближе к зазору, тем больше силовых линий замыкается между полюсами по воздуху, а различие условий для этого снаружи и внутри магнитной системы создает неизбежную асимметрию магнитного поля, взаимодействующего со звуковой катушкой головки. Выходом из этого положения для высококачественных АС пока что является сдваивание таких головок по типу «диффузор к диффузору» [4].

Во втором варианте в магнитном зазоре по всей рабочей длине магнитное поле будет симметричным и равномерным, но его магнитная индукция будет обратно пропорциональна увеличению площади боковой поверхности воздушного зазора. Если в этом варианте все витки звуковой катушки будут работать при воспроизведении звуковых сигналов с максимальной амплитудой, не выходя из воздушного магнитного зазора, то вторая и третья гармоники будут минимальными. В этом случае будут работать только те силовые линии магнитного поля в зазоре, которые пересекают витки звуковой катушки. Остальные силовые линии будут бездействовать, но они не требуют затрат электроэнергии, а следовательно, если магнитную систему снабдить магнитом, способным создать магнитную индукцию в зазоре аналогичную первому варианту, то КПД такой головки будет максимальным. Естественно, его масса будет увеличена пропорционально увеличению боковой поверхности воздушного зазора, что увеличит габариты и стоимость магнитной системы.

В этом варианте необходимо оценить, насколько увеличится стоимость головки и какой суммарный эффект получится в комплексе с уменьшением нелинейных искажений и потребляемой мощности головкой, с учетом времени эксплуатации, что очень важно для акустических систем большой мощности. Необходимо также иметь в виду, что в настоящее время выпускаются магниты с большой коэрцитивной силой, существенно превосходящие применяемые в большинстве головок ферритовые магниты. Например, неодимовые магниты (NdFeB) имеют низкую стоимость и по своим свойствам превосходят даже редкоземельные самарий-ко-бальтовые магниты (SmCo). Применение таких магнитов в электродинамических головках может решить вопрос снижения нелинейных искажений и повышения их КПД в этом варианте. Возможно, здесь будет полезно увеличить диаметр звуковой катушки, что при том же количестве провода уменьшит ее длину и увеличит амплитуду колебаний, не выходя катушки за пределы равномерного магнитного поля воздушного зазора.

Кроме указанных выше причин, нелинейные искажения порождаются асимметрией воздействия на воздушную среду передней и задней частями диффузора из-за его конической формы, а также наличие гибких выводов звуковой катушки, которые хаотически колеблются и резонируют на собственных частотах, внося свою долю в искажение звуковых сигналов. К тому же эти выводы являются самыми ненадежными элементами динамической головки, несмотря на то, что они выполняются из специальных многожильных гибких проводов. Освоение выпуска динамических головок с плоскими диффузорами устраняет недостатки, характерные для конических диффузоров, но применение таких головок в АС пока незначительное. Приведенные аргументы показывают, какие основные элементы и узлы необходимо модернизировать, чтобы получить оптимальную и технологичную конструкцию электродинамической головки.

В первую очередь проанализируем наиболее распространенные конструкции магнитных систем, от которых существенно зависят основные параметры электродинамических головок, такие как мощность, нелинейные и интермодуляционные искажения, КПД и поле рассеивания магнитного поля. В серийном производстве головок применяются магнитные системы двух типов: кольцевые и керновые, отличающиеся формой и местом расположения магнитов. Общим технико-эконо-мическим недостатком обеих магнитных систем является наличие в них большого количества магнитопровода из магнитно-мягкой стали. Он является пассивным элементом с соответствующим магнитным сопротивлением, создающим потери энергии в магнитной цепи на пути следования ее к воздушному зазору, и требует существенных затрат на его приобретение и обработку.

Кольцевая магнитная система состоит из кольцевого магнита и магнитопроводов из магнитно-мягкой стали в виде двух плоских фланцев и цилиндрического керна (рис.3). Нижний фланец представляет собой шайбу, на которой закреплен керн. Верхний фланец представляет собой плоское кольцо, внутреннее отверстие которого совместно с керном образует воздушный магнитный зазор для звуковой катушки головки. В серийно выпускаемых головках используются анизотропные ферритовые магниты. В целях экономии листовой магнитно-мягкой стали верхний и нижний фланцы выполняют с внешним диаметром меньшим, чем диаметр магнита и тоньше, чем это требуется для передачи всей энергии магнита к воздушному зазору. Как известно, силовые магнитные линии внутри анизотропного магнита прямолинейны и не могут искривляться и направляться в магнитопровод из той части магнита, которая не покрывается фланцами. Эти силовые магнитные линии частично по воздуху с большими потерями попадают в магнитопровод магнитной системы, а остальные также по воздуху замыкают полюса магнита и рассеиваются во внешнем пространстве (рис.4), негативно влияя на магнитно-чувствительные электронные узлы аппаратуры. Для полной передач энергии магнита в воздушный зазор сечение магнитопровода на протяжении всей магнитной цепи от магнита до воздушного зазора.должно быть оптимальным и постоянным, что зачастую не соблюдается. Например, у динамической головки типа TS-G1030 фирмы PIONEER диаметр керна 26 мм (SK=531 мм2), толщина нижнего фланца 3 мм (поперечное сечение фланца возле керна Эф=245 мм2). Из этого следует: либо диаметр керна завышен, что маловероятно, судя по большому полю рассеивания магнитной системы, либо толщина фланца занижена. Наружный диаметр магнита 60 мм, а нижнего и верхнего фланцев — 55 мм. Такие нарушения построения магнитных систем характерны для большинства серийно выпускаемых головок и приводят к тому, что магнитная энергия дорогостоящих магнитов используется неполностью.

Для улучшения технико-экономических параметров магнитных систем предлагаются следующие варианты:

1. Из одной половины магнитного материала, который используется для кольцевого магнита традиционной магнитной системы, изготовить кольцевой магнит меньшего диаметра, а из второй половины изготовить керновой магнит, который закрепить на нижнем фланце. Высота обоих анизотропных магнитов должна быть одинаковой. Воздушный магнитный зазор создать из кольцевого верхнего фланца и такой же толщины круга из магнитно-мягкого материала, которые закрепляются на кольцевом и керновом магнитах соответственно (рис.5).

В этом варианте магнитные материалы могут намагничиваться до или после сборки магнитной системы. В результате получается магнитная система с той же магнитной энергией, но с меньшими размерами и затратами магнитно-мягкой стали на фланцы и керн.

2. Из соответствующего изотропного магнитного материала изготовить магнитную систему, в которой только верхний фланец будет из магнитно-мягкого материала. Магнитный зазор создать аналогично первому варианту. Поперечные сечения, перпендикулярные магнитным силовым линиям внутри магнита, на протяжении всей магнитной цепи должны быть максимально одинаковыми, с учетом технологических уклонов пресс-формы (рис.6). В этом варианте затраты магнитно-мягкой стали будут снижены в два раза по сравнению с первым вариантом, благодаря наличию только верхнего фланца.

3. Магнитная система может быть тороидальной формы, полностью изготовленной из изотропного магнитного материала и состоять из двух частей, стыкующихся с помощью простого замка и удерживающихся собственным магнитным полем (рис.7).

Каждая часть магнитной системы должна намагничиваться отдельно и так, чтобы после сборки силовые магнитные линии были направлены в воздушный зазор, или в собранном виде, поместив катушку намагничивания внутрь магнитной системы и замкнув воздушный зазор технологическим магнитопроводом. Для крепления такой магнитной системы кдиффузородержателю необходим пластмассовый колпак соответствующей формы. Для центровки магнитной системы при установке на диффузородержатель в ее верхней части предусмотрено посадочное место. Данная магнитная система предназначена для короткой звуковой катушки, но при изменении конфигурации полюсов и применения полюсных наконечников соответствующей формы из магнитно-мягкой стали она может применяться и в головках с длинными звуковыми катушками. Затраты магнитно-мягкой стали и потери магнитной энергии в этом варианте будут сведены к минимуму.

Литература 1. Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители // Радио и связь. — 1989. 2. Алдошина И.А. и Войшвилло А.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели // Радио и связь. — 1985. 3. Зызюк А.Г О ремонте громкоговорителей и акустических систем // Радиоаматор. — 2009. — № 10. 4. Журенков А.Н. Особенности конструирования АС со сдвоенными динамическими головками // Радиоаматор. — 2009. — №10. 5. Романова Т.П. и др. Электродинамические головки громкоговорителей с плоскими диафрагмами//Радио. — 1998. — №8.

(Продолжение следует)