и коэффициент электромеханической связи (рис. 3.2)

Применим эти формулы к магнитоэлектрическим системам, называемым в акустике электродинамическими. Известно, что сила, действующая на проводник длиной l, по которому протекает ток i, помещ нный в магнитное поле с индукцией B, f = Bli . Из (3.10) следует, что коэффициент электромеханической

связи в этом случае

На холостом ходу вносимое сопротивление ZВН = 0, так как сопротивле-

ние нагрузки бесконечно большое.

Заторможенный двигатель (т.е. работающий на бесконечную нагрузку), у которого скорость движения равна нулю, аналогичен четыр хполюснику в режиме холостого хода, т.е. также работающему на бесконечную нагрузку при нулевом выходном токе. А работа двигателя в режиме холостого хода при нулевой нагрузке аналогична работе четыр хполюсника, нагруженного на очень маленькое Zн при максимальном выходном токе.

3.7.Применение метода электромеханических аналогий

Вкачестве примера рассмотрим вариант механической колебательной системы, схема которой приведена на рис. 3.3, а [4].

Вначале механическая система разбивается на отдельные ветви, на рис. 3.3, а их три. Каждая ветвь состоит из отдельных элементов, соедин нных по- следовательно-цепочкой (верхняя ветвь) или последовательно-параллельно (узлом) — средняя ветвь. Затем каждая ветвь разделяется на единичные эквивалентные контуры-элементы и обводятся квадратами, которые соединяются линиями механической связи, блоки замкнутых цепей обводятся пунктирными линиями (рис. 3.3, б). Следующий этап — замена каждого квадрата электрическими элементами (рис. 3.3, в), прич м каждому элементу присвоятся не электрические величины, а аналогичные им механические (табл. 3.1). И, наконец, для расч та и анализа электрической схемы на рис. 3.3, следует применить математический аппарат для расч та линейных электрических цепей.

Представленный метод может быть использован не только при проектировании, расч те и исследовании АС, но и в других областях электроакустики.

46

Например, при расч те любых других электроакустических преобразователей и фильтров, при проектировании студий, залов и других помещений.

Рис. 3.3. Эквивалентная (а) и структурная (б) схемы механической системы, а также ее электрический аналог (в)

47

4.ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

4.1.Основные определения и классификация

Здесь и далее под термином громкоговоритель мы будем понимать не АС или звуковую колонку, а одиночный громкоговоритель, в стандарте ГОСТ 16122-87 они обозначаются как головки громкоговорителей (ГГ), именно они и будут рассмотрены в настоящей главе, поскольку являются основными элементами АС.

ГГ классифицируются по многим признакам: по способам преобразования, виду излучения звука, электрической мощности, диапазону воспроизводимых частот, чувствительности, применяемым материалам и т.д.

По виду излучения ГГ различают на ГГ прямого излучения (диффузорные, купольные, ленточные) и рупорные.

По принципу действия: электродинамические, электромагнитные, электростатические, пьезоэлектрические и пьезопл ночные, электретные, цифровые, плазменные и др.

Электродинамические ГГ бывают катушечные, ленточные, изодинамические, ортодинамические (излучатели Хейла).

По способу излучения: ГГ прямого излучения и рупорные. Первые излуча-

ют звук непосредственно в окружающую среду, вторые — через различные ру-

пора, прич м различают широкогорлые и узкогорлые ГГ.

По номинальному диапазону частот: сабвуферные (10–250 Гц); низкочастотные (НЧ) (20–800 Гц); среднечастотные (250–6000 Гц); широкополосные (ШП) (30–20000 Гц); высокочастотные (1000–25000 Гц); субвысокоча-

стотные (subtwitter) — излучают частоты до 100 кГц.

По типу и форме излучающей диафрагмы: конусные с различной формой образующей, плоские, кольцевые сегменты, купольные, выпуклые и вогнутые.

По областям применения: бытовые (для телевизоров, приемников и т.д.), Hi-Fi, профессиональные студийные и концертные.

4.2. Устройство и принцип действия

Электромагнитные ГГ имели широкое распространение в 20 – 40 гг. двадцатого века. Их принцип действия заключается в следующем: при пропускании тока звуковых частот через обмотки катушек, надетых на полюсные наконечники постоянного магнита, подвижный ферромагнитный якорь под действием магнитной силы начинает колебаться и приводить в движение соединенный с ним диффузор, который излучает звук в окружающую среду. В настоящее время ГГ этого типа не выпускаются и находят применение только в телефонах.

Электродинамические ГГ на сегодняшний день используются в подавляющем большинстве АС. Электродинамическими называются ГГ, в основе ра-

48

боты которых лежат колебания проводника или звуковой катушки, с присоеди-

н нной к ней диафрагмой, под действием силы взаимодействия магнитных полей, создаваемых магнитной системой и протекающим по проводнику переменным током.

Пример конструкции катушечной электродинамической ГГ представлен на рис. 4.1 [10].

Рис. 4.1. Схема конструкции катушечной электродинамической

диффузорной ГГ: 1 — диффузор (диафрагма); 2 — гибкий подвес; 3 — центрирующая шайба; 4 — звуковая катушка; 5 — диффузородержатель; 6 — нижний фланец;

7 — постоянный магнит; 8 — верхний фланец; 9 — керн; 10 — диамагнитный колпачок или кольцо;

11 — пылезащитный колпачок

Под действием поданного на катушку напряжения звуковой частоты, по ней потеч т ток, в результате на катушку будет действовать сила, вызывающая осевые колебания катушки и диафрагмы

где B — индукция магнитного поля в зазоре магнитной системы; l — длина провода на катушке;

I — сила тока в катушке.

Подробное описание всех элементов конструкции, их типов и требований, предъявляемых к ним, содержится, например в [8–11].

Исторически первыми появились ГГ с электромагнитным подмагничиванием, в них радиальное магнитное поле в зазоре создается постоянным током в катушке возбуждения, надетой на керн. Одним полюсом электромагнита является керн, другим — верхний фланец. Эти раритетные ГГ также не выпускаются, но до сих пор являются предметом интереса и поиска некоторых энтузиа-

стов Hi-Fi.

49

Купольные электродинамические ГГ чаще всего используются в качестве ВЧ и СЧ — излучателей в АС, их принцип действия ничем не отличается от диффузионных ГГ. Конструкция купольной ГГ представлена на рис. 4.2 [10].

Рис. 4.2. Конструкция купольной ГГ: 1 — диафрагма (купол);

2 — сетка; 3 — медный колпачок; 4 — верхний фланец; 5 — кожух; 6 — звуковая катушка; 7 — вкладыш; 8 — шайба; 9 — подвес; 10 — нижний фланец; 11 — магнит; 12 — керн

Ленточные электродинамические ГГ (рис. 4.3) [10]. В этих ГГ звуковой сигнал пода тся на излучающую тонкую гофрированную металлическую полоску 2, находящуюся между полюсами магнитной системы, образованной постоянными магнитами 1 и пластинами, замыкающими полюса магнитов. Ленточные ГГ обладают низкими искажениями и частотным диапазоном вплоть до 125 кГц, однако им присущи и некоторые недостатки, например, большая и тя- ж лая магнитная система, низкое значение сопротивления излучающей полоски, требующее применение понижающего трансформатора.

Рис. 4.3. Схема устройства магнитного ГГ

Изодинамические ГГ (магнепланары) (рис. 4.4) [8] используют в качестве излучающего элемента плоскую тонкую прямоугольную пленку, выполненную

50

на основе высокомодульных термостойких полимеров, например, полиимидов и ароматических полиамидов.

Рис. 4.4. Схема изодинамической ГГ: 1 — магниты; 2 — пленка; 3 — проводник

На пленку методом напыления или травления наносится плоская звуковая катушка в виде прямоугольной или круглой спирали. На рис. 4.5 [11] приведена конструкция отечественной изодинамической ВЧ ГГ 25ГДВ-1 (старое обозначение 10ГИ - 1).

Рис. 4.5. Конструкция ГГ 25ГДВ-1: 1,6 — стальные пластины; 2, 4, 7, 8 — рамки; 3, 9 — магниты;

5 — диафрагма; 10 — звукопоглотитель

Рамка с такой пл нкой находится между полюсами мощной магнитной системы. Система состоит из двух рядов плоских магнитов, установленных в рамки и включ нных в противополе, и двух стальных пластин, замыкающих полюса и усиливающих индукцию магнитного поля. Демпферы сглаживают АЧХ ГГ. Очень плодотворная идея, в отличие от купольной ГГ, излучает одновременно вся плоская поверхность в одной фазе, частотный диапазон простирается до 40 кГц. Однако, к сожалению, идея не до конца реализована, 25ГДВ-1 имеет рекордно низкий уровень характеристической чувствительности — 87 дБ, что привело к замене ВЧ излучателя у многих владельцев АС, где эта ГГ установлена.

Ортодинамические излучатели Хейла являются разновидностью изоди-

намических ГГ. Излучатель представляет собой гофрированную полимерную

51

пленку с нанесенным на нее металлическим проводником в виде вертикальных зигзагов, помещенную в сильное магнитное поле (рис. 4.6) [8], создаваемое мощной и тяж лой магнитной системой.

Рис. 4.6. Схема излучателя Хейла

Направление магнитных силовых линий перпендикулярно плоскости диафрагмы. Проводник нанесен таким образом, что ток, протекающий через него, был направлен вверх на одной стороне складки и вниз на другой.

При такой конфигурации проводника складки диафрагмы стягиваются или растягиваются под действием электромагнитной силы, втягивая или вытягивая воздух между складками, при этом происходит излучение звука. Излучатель Хейла является своеобразным акустическим трансформатором, преобразующим звуковое давление, за счет чего повышается КПД. Отсюда еще одно название ГГ — трансформатор Хейла.

ГГ Хейла используют для воспроизведения СЧ и ВЧ начиная с 500 Гц, они демонстрируют высокую чувствительность и качество звучания вследствие малой массы колеблющихся участков диафрагмы и низкой инерционности.

Электростатические ГГ занимают второе место по распространению после электродинамических, их конструкция приведена на рис. 4.7 [8].

Между двумя электродами с отверстиями 1 помещается излучающая металлизированная пл нка 2, на которую через согласующий трансформатор 3 пода тся напряжение звуковой частоты. Кроме того, для повышения чувствительности и для подавления второй гармоники на пл нку пода тся постоянное напряжение поляризации 4 в несколько раз больше переменного. Переменное электростатическое поле возбуждает колебания пл ночной мембраны, которая излучает звук через перфорированные электроды в окружающее пространство.

Электростатические ГГ обладают рядом достоинств и преимуществ по сравнению с другими ГГ:

–синфазные колебания всей поверхности мембраны;

–широкая полоса воспроизведения в сторону ВЧ;

–высокая равномерность АЧХ;

–чрезвычайно низкие переходные искажения из-за л гкой излучающей мембраны;

–очень высокое качество звучания без какой-либо окраски.

52

Рис. 4.7. Конструкция электростатической ГГ:

1 — неподвижные электроды;

2 — излучающая мембрана;

3 — согласующий трансформатор;

4 — источник поляризации

Ксожалению, этим излучателям присущи и некоторые недостатки:

–специфические нелинейные искажения во второй гармонике, обуслов-

ленные квадратичной зависимостью электростатической возбуждающей силы от напряжения; тем не менее, с ними успешно борются;

–узкая диаграмма направленности на высоких частотах из-за большой площади мембраны, необходимой для воспроизведения широкой полосы частот; эта проблема тоже решается;

–недостаточно низкая нижняя граничная частота воспроизведения;

–мкостная нагрузка для усилителей, сопротивление которой уменьшается повышением частоты;

–необходимость дополнительного источника постоянного напряжения;

–относительно низкий уровень характеристической чувствительности. Вместе с тем электростатические ГГ обладают очень высокими качеством

иестественностью звучания.

Полностью электростатическими АС являются легендарные изделия британской фирмы «Quad» отличающиеся великолепной естественностью звучания, диапазоном воспроизводимых частот 40–20000 Гц при неравномерности АЧХ ±3 дБ, но имеющие невысокую чувствительность и узкий динамический диапазон — 98 дБ.

Из отечественных электростатов можно отметить «Статик» 25АСЭ-101 с диапазоном частот 45–18000 Гц и уровнем характеристической чувствительности 83 дБ и 35АСДС-017 — диапазон частот 30–25000 Гц за счет фазоинверторной НЧ-секции на основе электродинамической ГГ75ГДН-3, чувствительность — 85 дБ.

53

Электретные ГГ. Электретом называют диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризацию и создающий в окружающем пространстве электрическое поле после окончания внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Свойство длительно сохранять поляризованное состояние (в течение нескольких лет, и даже десятков лет) называют электретным эффектом, время существования этого состояния уменьшается при наличии влажности и повышенной температуры. Электреты являются своеобразными аналогами постоянных магнитов.

Для получения электретов наиболее широко применяют полимерные пленки толщиной 3–100 мкм с малым значением диэлектрической проницаемости и с высоким удельным сопротивлением – полиэтилентерефталат (ПЭТФлавсан), поликарбонат (ПК), политетрафторэтилен (ПТФЭ). Наиболее стабильным электретным эффектом обладают электреты на основе ПТФЭ.

Электретные излучатели отличаются от электростатических отсутствием блока поляризации и использованием вместо него поляризованного диэлектрика (электрета). Существуют конструкции излучателей, где электретный материал можно использовать в качестве излучающей мембраны (биполярный, моноэлектрет) или наносить на электроды (массивный электрет). Широкое применение этих ГГ ограничено невысокой стабильностью поверхностного заряда на всей площади излучателя.

Пьезопленочные ГГ появились после обнаружения пьезоэффекта у поливинилиденфторидых (ПВДФ) пленок со структурной формулой CH2 −CF2 и ко-

эффициентом электромеханической связи KЭМ = 0,16,обычно KЭМ для разных

пьезоэлектриков лежит в пределах 0,01–0,3. Позднее пьезоэффект был зафиксирован и в других полимерных материалах в виде механически ориентированных при температурах ниже температуры стеклования (60–100oC ) и поляризованных в сильных постоянных электрических полях пленок. Вариант конструкции пьезопл ночной ГГ представлен на рис. 4.8 [10]. Конструкция представляет собой фрагмент перфорированного цилиндра, на который натянута пьезоэлектрическая пл нка вместе с поролоновой подложкой. Если к пьезопл нке приложить напряжение звуковой частоты перпендикулярно е поверхности, то в пл нке возникнут пульсации и она будет излучать звук. Известна и хорошо себя зарекомендовала целая линейка АС фирмы «Pioneer» с ВЧ-излучателями такого типа: НРМ-100, НРМ-200 и др. Фирма «Audax» (Франция) разработала высококачественную пьезопл ночную ВЧ ГГ купольного типа на основе ориентированной в двух в двух направлениях пьезопл нки с диапазоном частот 6–60 кГц.

Преимуществами излучателей этого типа является широкий диапазон воспроизводимых частот, отсутствие магнитной системы и простота конструкции.

Пьезокерамические излучатели представляют собой биморфные элементы, склеенные из двух пьезокерамических пластин. Если к такому элементу, закрепл нному с двух сторон, подвести переменное напряжение, в н м возникнут изгибные колебания. Пьезокерамики после синтеза подвергаются поляризации

54

под действием внешнего электрического поля, в результате домены преимущественно ориентируется в направлении приложенного поля. После его снятия сохраняется устойчивая остаточная поляризация, материал становится полярно текстурированным, обладающим пьезоэффектом. Величина пьезомодулей, определяющих пьезоэлектрические параметры, зависит от величины электрического напряжения, температуры и времени выдержки в процессе поляризации.

Рис. 4.8.Конструкция пьезопленочного громкоговорителя: 1 — контакты; 2 — пьезоэлектрическая пл нка;

3 — мягкая подложка

Для производства пьезокерамических ГГ в основном используются системы на основе цирконат–титанат–свинца–натрий–ниобата с различными модификаторами. Материалы на основе цирконат–титанат–свинца представленной собой твердые растворы титаната свинца PbTiO3 и цирконата свинца

PbZrO3 с добавками окислов Nb2O3,Ta2O3,La2O3,Nd2O3 и других, они носят наиме-

нование ЦТС-керамики. Лучшим материалом из этой системы является пьезокерамика ЦТС-22, обладающая высокой стабильностью диэлектрической проницаемости, пьезомодуля и резонансных частот.

Из ниобатных керамик вполне удовлетворительные характеристики имеет пьезоэлектрик с химической формулой (Na1−xLx )NbO3 .

К достоинствам данного вида излучателей следует отнести: экономичность и малую массу.

В ионизационных (плазменных) ГГ, которые иногда называют плазмотро-

нами и ионофонами, отсутствует посредник — диафрагма между электрическими колебаниями и колебаниями воздуха — возбуждается и излучает сам ионизированный воздух. Ионизацию осуществляют сигналом высокой частоты, нагревая до высоких температур воздух в определ нном объ ме. Модулируя высокочастотный сигнал звуковым сигналом, добиваются возбуждения колебаний ионизированных частиц воздуха и излучение звука. Такой оригинальный способ возбуждения обеспечивает безынерционное воспроизведение звука без переходных искажений. Пример конструкции плазменного излучателя приве-

д н на рис. 4.9 [8].

55

Рис. 4.9. Плазменный излучатель МР–02 фирмы «Магнат» (ФРГ)

Излучатель конструктивно объединяет в себе сферу из металлической сетки и усилитель-генератор. При подаче ВЧ-напряжения на электрод, расположенный внутри сферы, возникает фиолетовое свечение — зажигается плазма, объ м которой примерно 1см3. Диапазон воспроизводимых частот такого излучателя составляет 5–100000 Гц, коэффициент нелинейных искажений — 0,8%, уровень характеристической чувствительности — 89 дБ.

Подобные ГГ выпускают фирмы «Plasmatronic» (США), «Audax» и «Transpulsar» (Франция) и др.

Цифровые ГГ впервые появились в 1980 г, излучатель фирмы «BellTelephone Lab» (США), разработанный для телефонов, представлял собой электрод в форме диска, на котором была закреплена электретная пленка. Электрод делился на изолированные сегменты с соотношением площадей , где n

— число разрядов, n = 4, 3, 2, 1, 0, цифровой сигнал возбуждал те сегменты, площадь которых соответствовала его значимости. В более поздних электретных и пьезоэлектрических цифровых излучателях фирмы «Sony» электроды делились на радиальные секции равной площади и подключались группами, число которых зависело от разрядности цифрового сигнала. Фирма «Matsushita» предложила объединить излучающие сегменты в группы, соответствующие весовому коэффициенту разряда.

Вначале 80-х гг. фирмами «Philips» и «Sony» начались разработки электродинамических цифровых ГГ. Предлагалось использование нескольких секционированных звуковых катушек вместо одной по числу бит кодированного сигнала. В начале 21 века фирма «B&W» сообщила результаты работ по созданию подобных излучателей.

Вконце 90-х исследователи университета Шинцу (г. Нагано — Япония) разработали и продемонстрировали пьезоэлектрическую цифровую ГГ, напрямую преобразующую 16-битный цифровой сигнал с частотой дискретизации 48 кГц. Параметры ГГ следующие: диапазон воспроизводимых частот 35–12000 Гц, коэффициент гармоник на частоте 50 Гц — 3% и 0,2% на 10 кГц, чувствительность 85 дБ, неравномерность АЧХ во всем диапазоне частот ±3 дБ, что

56

очень неплохо. Тем не менее, качество звучания первого поколения цифровых ГГ оставалось невысоким. Их малая разрядность (не более 6) делала уровень шумов квантования слишком большим для использования в АС, особенно категории Hi-Fi. Определенный прорыв произошел в 2000 году, когда фирма «B&W» и университет г. Брайтон (Англия) предложили конструкцию АС, состоящей из плоской распределенной решетки на основе единичных излучателей, объединяемых в группы в зависимости от разряда цифрового сигнала. Было предложено два направления развития этого типа ГГ — увеличение числа разрядов квантования для снижения шумов и коррекцию сигнала для компенсации собственных искажений излучателя.

Идея получила дальнейшее развитие в работах специалистов фирмы «Audio Signal Processing Espo» (Финляндия) и ученых университета г. Хельсинки, которые разработали алгоритм действия решетки излучателей, оптимизирующего АЧХ и ФЧХ системы и ее направленность в любой частотной полосе. Этот метод коррекции был использован британской фирмой «1.. limited», которая в сотрудничестве с компаниями «ARM Ltd» (микропроцессоры) и «Cambridge Display Technology» (пленочные технологии) в 2002 г разработала и продемонстрировала АС «The Digital Sound Projector».

В этих АС использовались 256 отдельных излучателей, воспроизводящих единичные импульсы, а общее поле формировалось сложением излучения каждого излучателя, управляемых процессором фирмы «Analog Devices». Этот процессор контролировал уровень громкости и АЧХ, а также компенсировал искажения — как от декодирования сигнала, так и от интерференции звуковых волн. В отличие от первых цифровых ГГ, использовавших бинарное кодирование, АС «The Digital Sound Projector» осуществляли 256-уровневое развертывание, эквивалентное 8-битному бинарному. Кроме того, отмечен очень высокий КПД разработанных АС, который может достигать 10%, что сравнимо с аналогичным параметром рупорных ГГ.

Рупорные ГГ, в отличие от ГГ прямого излучения, передают звуковые колебания в окружающую среду через рупор-трубу с постепенно возрастающим сечением. Рупора бывают разной формы: конические, экспоненциальные, параболические и гиперболические, раскрывающиеся по закону трактрисы и т.д. Кроме того, различают узко- и широкогорлые рупорные ГГ, в узкогорлых ГГ площадь «горла» — входа рупора меньше площади диафрагмы, и последняя сопрягается с «горлом» посредством предрупорной камеры, в широкогорлых — диафрагма непосредственно примыкает ко входу рупора. В принципе, любая ГГ может быть нагружена на рупор, на рис. 4.10 [8] представлена конструкция узкогорлой рупорной ГГ на основе электродинамической катушечной купольной ГГ.

57

Рис. 4.10. Конструкция рупорной ГГ:

1 — противоинтерференционный вкладыш;

2 — диафрагма; 3 — гибкий подвес;

4 — зазор магнитной системы;

5 — верхний фланец; 6 — магнит; 7 — нижний фланец; 8 — керн; 9 — катушка;

10 — предрупорная камера; 11 — горло

Противоинтерференционный вкладыш — тело Венте предназначен для выравнивания фазовых сдвигов акустических волн, излучаемых различными участками диафрагмы, поскольку при использовании купольных диафрагм звуковые волны от их различных участков проходят разное расстояние до точки прослушивания. Рупорные ГГ бывают средне- и высокочастотными, они отличаются от ГГ прямого излучения очень высоким КПД, составляющим более 20% (1–2% у обычных ГГ). Такие показатели достигаются применением предрупорной камеры, представляющей собой своеобразный акустический трансформатор, согласующий входное сопротивление рупора с механическим сопротивлением ГГ, и концентрацией звуковой энергии вдоль оси рупора. Однако при разработке и эксплуатации рупорных ГГ возникают определенные проблемы: во-первых, увеличение нелинейных искажений из-за высоких уровней звукового давления в малой предрупорной камере, во-вторых, сужение диафрагмы направленности на высоких частотах за счет осевой концентрации звуковой энергии. Для решения первой проблемы следует грамотно выбрать и рассчитывать нижнюю граничную частоту и форму рупора, коэффициент трансформации камеры, равный отношению площадей диафрагмы и «горла» и объем камеры. Для расширения диаграммы направленности, особенно в горизонтальной плоскости, применяют различные решения: экспоненциальный рупор цилиндри-

ческой волны, секционированные рупора, рупора с акустическими рассеивающими линзами, радиальные и рупора равномерного покрытия и т.д. Схемы не-

которых из них приведены на рис. 4.11 [1,8–10].

58

в)

Рис. 4.11. Схемы различных рупорных ГГ:

а) экспоненциальный рупор цилиндрической волны; б) секционированный рупор; в) акустические линзы; г) радиальный рупор; д) рупор равномерного покрытия

59