4.3. Электродинамические катушечные диффузорные ГГ

На сегодняшний день являются самыми распространенными ГГ, их производство доходит до 100 млн. штук в год. Конструкция этих излучателей представлена на рис. 4.1 и 4.2. Купольные ГГ являются разновидностью диффузорных, они работают на одинаковых принципах, характеризуются одинаковыми параметрами и отличаются только формой и, зачастую, материалом излучающей диафрагмы. Следует отметить, что диафрагма в диффузорных ГГ выполняет двойную функцию: преобразование механических колебаний в акустические и их излучение в окружающее пространство, отсюда и название: диффу- зор-рассеиватель. При анализе процессов излучения диффузор или купол с достаточной степенью точности можно заменить плоской диафрагмой, колеблются как поршень.

4.3.1. Процесс излучения

Механизм излучения акустических волн и передачи звуковой энергии диффузорными ГГ в пространство заключается в передаче колебательного движения диафрагмы частицам воздуха. Частицы среды передают это возбуждение сжатия-растяжения соседним, создавая в среде продольную волну, распространяющуюся со скоростью звука. Колебательная скорость диафрагмы υд

должна быть равна скорости колебания прилегающих к ней частиц воздуха υ (колебательная скорость п. 1.2) υд = υ . Среда оказывает сопротивление колеба-

тельному движению диафрагмы, очевидно, чем выше плотность среды, тем больше. сопротивление. Это сопротивление называется сопротивлением. излуче-

ния Z изл , которое является акустическим сопротивлением среды Zак в месте. ее сопротивления с колеблющейся поверхностью (п. 1.2). В общем случае Zизл комплексное, т.е.

Отсюда следует, что излучаемая мощность также комплексная и содержит активную и реактивную составляющие. Активная мощность является полезной и определяет поток излучаемой акустической энергии. Реактивная мощность определяет запас энергии в звуковом поле, которая частично возвращает-

60

где F — сила, действующая на диафрагму со стороны движущегося в магнитное поле катушки и равная силе, с которой диафрагма действует на частицы воздуха. ;

Zн.д.

Полная излучаемая мощность:

ГГ, рассматривая ее как точечный излучатель нулевого порядка, излучающий сферическую волну (п. 1.6), причем, как в свободном пространстве, так и в акустическом оформлении, например в экране. Акустический экран – это практически звуконепроницаемая перегородка, в которую установлена ГГ и не участвующая в излучении звука.

Из выражения (1.45) следует:

K1изл и K2изл — безразмерные коэффициенты сопротивления излучения.

На рис. 4.12 [7] показаны частотные зависимости. безразмерных коэффициентов активной и реактивной составляющих Zизл ГГ в различныхоформ-

лениях.

Анализ этих данных показывает, что на НЧ и небольших расстояниях от излучателя, когда xλ мало, K1изл растет пропорционально квадрату частоты,

при отношении xλ ≥1 K1изл приближается к сопротивлению для плоской волны ρcS , реактивная составляющая при этом быстро уменьшается и стремится к ну-

тивление ωmВН , т.е. является сопротивлением некоторой массы воздуха mВН :

которая увеличивает массу подвижной системы ГГ, поэтому ее называют присоединенной или соколеблющейся массой.

61

Рис. 4.12. Частотные зависимости составляющих Z.изл:

1 — активная составляющая Z.изл ГГ без оформления;

2 — то же в бесконечном экране; 3 — то же в открытом корпусе (ящик. без задней стенки);

4 — реактивная составляющая Z изл ГГ без оформления

Если помещенную в бесконечный экран поршневую диафрагму возбуждать на частотах, длины волн которых значительно больше размеров диафрагмы, то излучаемые звуковые волны ничем не будут отличаться от сферических. При длинах волн меньших размеров диафрагмы закон излучения будет несколько сложнее, так как при этом звуковые волны, излучаемые различными участками диафрагмы, будут интерферировать между собой. В результате интерференции в одних точках поля возможно увеличение уровня, а в других — уменьшение по сравнению с уровнями, создаваемыми излучателями нулевого порядка. Причем и то, и другое будет зависеть от частоты колебаний. При длинах волн, значительно меньших размеров излучателей, последний создает плоскую волну.

Поэтому для плоского поршневого излучателя в бесконечном экране безразмерные коэффициенты имеют несколько иной вид (рис. 4.12, кривая 2). Основное отличие в том, что переход от квадратичной зависимости к независимости от частоты совершается не плавно, а волнообразно, что объясняется интерференцией волн, излучаемых отдельными участками плоской диафрагмы.

В случае конечного экрана поршневая диафрагма на высоких частотах, когда длины волн меньше размеров экрана, также представляет собой излучатель нулевого порядка. Но при больших длинах волн, превышающих размер экрана, диафрагму следует рассматривать как диполь — излучатель первого порядка. В этом случае следует учитывать результат разностного взаимодействия излучений фронтальной и обратной сторон диафрагмы (рис. 4.12, 3).

Следует отметить, что поршневой характер колебаний диффузора наблюдается только в области низких частот, верхняя граничная частота, до которой диффузор работает как поршень, зависит от многих факторов: от его раз-

62

меров, формы, жесткости, материала, подвеса и т.д. Для конусных бумажных диффузоров эта частота составляет 200–300 Гц, для металлических, пластиковых и на основе композиционных материалов 1–2 кГц, для плоских сотовых конструкций до 3 кГц. Это очень важно знать для правильного выбора частоты раздела и порядка НЧ-фильтра в многополосных АС [7].

4.3.2. Электромеханическая модель и анализ работы

Механическая подвижная система электродинамической диффузорной ГГ состоит из диффузора с прикрепленной звуковой катушкой, гибкого подвеса и центрирующей шайбы (рис. 4.1). На низких и средних частотах она может рассматриваться как механическая колебательная система с сосредоточенными параметрами с параллельным соединением элементов (табл. 3.3, а). Здесь m — масса всей подвижной системы, включающая массу диффузора со звуковой катушкой mд и колеблющуюся массу воздуха mвн ; cm — механическая гибкость,

состоящая из трех гибкостей включенных в механической схеме последовательно: гибкость подвеса c1, гибкость центрирующей шайбы c2 и гибкость воз-

духа cв ; rm — активное сопротивление потерь в подвижной системе, которое

состоит из сопротивления, обусловленного трением звуковой катушки о воздух в зазоре r1 , механических потерь в диффузоре, центрирующей шайбе и подвесе

r2 и сопротивление излучателя Rизл . Все сопротивления в механической анало-

говой схеме соединены параллельно.

Для механической колебательной подвижной системы ГГ уравнение вынужденных колебаний имеет вид

Это уравнение аналогично уравнению для контура с последовательным соединением электрических элементов (3.3, рис, а), т.е. узел механических сопротивлений аналогичен контуру из электрических сопротивлений. Механическое сопротивление для такого узла

63

где ZM — модуль сопротивления;

ψ — его фаза.

На рис. 4.13 [8] показана зависимость скорости колебаний υ от частоты f при постоянстве амплитуд приложенной силы для рассматриваемой механической системы. Резонансная частота для механической системы

где ∆f — ширина полосы пропускания системы на уровне – 3 дБ; Zвол = mcM — волновое сопротивление системы.

На частотах выше резонансной (ω >ω0 ) механическое сопротивление определяется инерционным сопротивлениям, т.е. ZM = iωm, если только активное сопротивление не очень велико. На частотах ниже резонансной (ω <ω0 ) механическое сопротивление определяется гибкостью, т.е. ZM =1(iωcM ), с той же оговоркой, что и в предыдущем случае.

Рис. 4.13. Зависимость скорости колебаний от частоты для механической колебательной системы

Уравнение для вынужденных колебаний в последовательном электрическом колебательном контуре – электрическом аналоге колебательной системы ГГ, имеет вид:

64

Электрическое сопротивление

Из сравнения выражений (4.8 – 4.10) и (4.15 – 4.17) следует, что механическое и электрическое сопротивления имеют аналогичную форму.

С уч том вышеизложенного, полное механическое сопротивление подвижной системы электромеханической системы электромеханической ГГ

(4.8 – 4.10) равно

Как было показано ранее, колебательную систему ГГ можно рассматривать как систему с сосредоточенными параметрами, работающую в поршневом режиме, только на нижних и в некоторой области средних частот.

На высоких частотах диффузор (диафрагма) теряет поршневой характер колебаний и вед т себя подобно тонкой мембране, в которой возникают деформации изгиба. В мембране возбуждаются изгибные поперечные волны, которые распространяются от центра возбуждения к периферии с отражением обратно. В результате устанавливается режим стоячих волн с узлами и пучностями, различные участки мембраны возбуждаются на разных частотах и излучают с разными фазами. В этом случае колебательную систему следует рассматривать как систему с распредел нными параметрами.

Входное электрическое сопротивление громкоговорителя определяется

65

Собственное сопротивление динамического громкоговорителя состоит из активного сопротивления RЭ катушки и небольшой ее индуктивности LЭ . Вно-

симое сопротивление определяется полным механическим сопротивлением [см. (3.9)] и коэффициентом электромеханической связи Kсв = Bl [см. (3.11)]. На

рис. 4.14, а [7] приведена аналоговая схема для данного случая, из которой следует, что вносимое сопротивление (3.9)

Это сопротивление можно представить в виде электрического эквивалента. Напишем выражение для вносимой электрической проводимости:

В соответствии с характером частотной зависимости сделаем следующие замены:

После этого получим, что общая проводимость эквивалентной цепи равна сумме проводимостей

Y. Н = R1′ +iωC′+ iω1L′.

Рис. 4.14. Схемы входного сопротивления ГГ: а) электрическая с аналоговой механической схемой; б) эквивалентная электрическая

схема

Это означает, что все три электрические проводимости должны быть включены параллельно (рис. 4.14, б) [7]. Интересно отметить, что в эквива-

66

лентной схеме инерционное сопротивление имеет емкостный, а упругое сопротивление — индуктивный (нельзя путать эквивалент с аналогом).

Механическая колебательная система имеет резонансную частоту ωM =1/mCM =1/L′C′ . Эту частоту называют частотой механического резонан-

са. Из этого следует, что и эквивалентный контур L′ С′ имеет ту же резонансную частоту. На этой частоте входное сопротивление громкоговорителя имеет максимум, определяемый суммой активных сопротивлений катушки и вносимого активного сопротивления

На частотах ниже частоты механического резонанса входное сопротивление падает до активного сопротивления катушки, а на частотах выше (в диапазоне частот 150–400 Гц) достигает минимума, в основном обусловленного последовательным резонансом: индуктивностью LЭ и эквивалентной емкостью С′

во вносимом сопротивлении. Соответствующую частоту резонанса

называют частотой электромеханического резонанса. Выше частоты ωЭ.М.

входное. сопротивление определяется только собственным сопротивлением ка-

тушки Zэи поэтому растет с увеличением частоты из-за ее индуктивного сопротивления. На рис. 4.15 приведена типовая частотная зависимость входного сопротивления ГГ [1,7–9].

Рис. 4.15. Типичная частотная зависимость модуля полного сопротивления электродинамической диффузорной ГГ:

f0 — резонансная частота,

fm — частот электромеханического резонанса,

R — сопротивление постоянному току, Rn — сопротивление на частоте fm ,

R+ R′ — вносимое активное сопротивление

67