книги из ГПНТБ / Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика

ж е н ия обратной

связи.

Это

поясняется

схемой

рис. 4.26.

К а б е л ь

м е ж д у микрофоном

и

входом

усилителя

имеет

двойной

э к р а н .

Внешний экран — з а щ и т а

от

паразитных

электрических

полей.

Внутренний

экран подключен через

цепь обратной связи в катоде вход­

ного каскада, так что

напряжени е

па нем совпадает

по

ф а з е

с напря ­

жением,

р а з в и в а е м ы м

микрофоном

на входе усилителя, и по амплитуде

почти равно

ему.

Влияние

емкости

между

центральным

проводом

и

внутренним

экрано м

уменьшается

во столько раз, во сколько

разность

Рис. 4.26.

Компенсация

влия­

м е ж д у н а п р я ж е н и е м

входа

и

об­

ратной связи

меньше

н а п р я ж е н и я

ния емкости входа предвари­

тельного

каскада

усиления

и

входа.

соединительного кайеля конден­

С оврем ем и ы й

изм ерите льны й

саторного микрофона

конденсаторный микрофон с диамет ­

ром д и а ф р а г м ы 0>3 см, позволяющий

измерять

звуковое

давление

в

воздухе до

частот порядка

100

кГц,

имеет

собственную

емкость,

всего ~ 5

пФ. Естественно,

что

без

компенсации

емкости

входной

цепи и кабел я возникла бы

б о л ь ш а я

потеря

чувствительности

та­

кого микрофона .

Микрофон направленного действия

Конденсаторный

микрофон

направленного

действия

имеет

д в е

одинаковые

д и а ф р а г м ы ,

воспринимающие звуковое давление . Д и а ­

ф р а г м ы расположены

симметрично

по

обеим

сторонам

неподвиж ­

ного электрода,

к а к

показано

на рис. 4.27а. Неподвижны й

элек ­

трод имеет ряд сквозных отверстий

и выемок. Объемы воздуха

в

выемках

межд у

д и а ф р а г м а м и

и электродом

составляют

акусти­

элементы составляют

звено

акустического

симметричного

филът-

тра,

на входе и выходе

которого подсоединены д и а ф р а г м ы . Сна­

р у ж и

на микрофон действуют давлени я звуковой волны р\ и р%

Если

сопротивления

д и а ф р а г м ы

равны

волновому

сопротивлению

звена

фильтра, то половина

амплитуды

давления,

действующего

с н а р у ж и на микрофон,

приходится на

д и а ф р а г м у

и половина

—

на вход звена фильтра .

Тогда

фильтр

создает

только

з а п о з д а н и е

по времени акустического давления, распространяющегося

внутри

микрофона

(по пути

1').

Ф а з о в а я постоянная

этого

фильтра

м о ж е т

быть

подобрана так,

что время

Тф з а п о з д а н и я

волны

от д и а ф р а г ­

мы /

к д и а ф р а г м е 2

внутри

микрофона

равно

времени

з а п о з д а н и я

волны, обходящей микрофон снаружи, когда эта волна

п а д а е т

нормально

к д и а ф р а г м е :

Тф—і/с0 --

В

общем случае запоздание волны при обходе с н а р у ж и

микро ­

фона

зависит от у г л а , п а д е н и я

волны

9.

М о ж н о принять,,

что

оно-

п р о п о р ц и о н а л ь но

cos-6, ( т = т ф С о з 6 ) ,

и

написать

д л я

давлений,

действующих

на

д и а ф р а г м ы

с н а р у ж и : р 2 / 2 =

(рі/2)ехр{—ішт/фХ

X cos 0 } . Волна звукового

давления,

п р о ш е д ш а я

внутри

микрофо­

на

от задней

д и а ф р а г м ы

к

передней,

запоздает

еще на

время т/ф,

так

что давление

на

задней

стороне

д и а ф р а г м ы

/

составит:

р\

= (л/2) ехр {— і со (тф

+

Тф cos в)} .

(4.80)

Соответственно давление на задней стороне

д и а ф р а г м ы 2:

р'2 = (Рі/2)ехр{—

і сотф}.

(4.81)

Д и а ф р а г м а 1

колеблется

под действием разности

давлений:

Pj

= P i / 2 — р ; =

(pi/2) [1 — ехр { — і ©Тф (1 + cos в)}].

Соответственно

д и а ф р а г м а

2 — под

действием:

Ри

= Р2І2 — р'2

=

(Рі/2) [ехр { — і сотф}—ехр { — і ©Тф cos 0 } ] .

Т а к

как величина

сотф<СІ, то, р а з л а г а я

экспоненты

в

степенные

ряды и сохраняя

только по два первых члена ряда,

получим:

Р/ = — (Рі/2) і сотф (1 - f cos 0), рп

= — (рі/2) і сотф (1 —cos 0).

(4.82)

Колебания

д и а ф р а г м ы ,

как

6)

следует из (4.82),

происходят

под

действием

сил,

зависящих

от угла 8 так, что

характерис ­

тики

направленности

этих сил

имеют вид кардиоид. При этом

Рі

максимально

при

8 = 0, а

Рп

при 0 = 1 8 0 ° . Ф а з ы

колеба­

ний д и а ф р а г м

будут

противо­

-Вых

положны .

Включим микрофон по схе­

ме, изображенной на рис. 4.275.

6

6

6

Если

д в и ж о к Д

установить

по­

середине

потенциометра,

то

+

0

-

н а п р я ж е н и я

поляризации

меж ­

в)

23

Zs

ду неподвижным

электродом и

I

д и а ф р а г м о й

2

не

будет.

Р а б о ­

тает

только

д и а ф р а г м а

/,

ха­

Ї

I

рактеристика

направленности

микрофона

—

кардиоида:

1 +

Р.НС. 4.27. Конденсаторный микрофон на­

Если

передвинуть

д в и ж о к

в

крайнее

левое

положение,

то

правленного

действдя:

схема

обе

д и а ф р а г м ы

поляризуются

а — капсюль

микрофона; б —

•включения;

в

— эквивалентная

схема

одинаково и,

следовательно,

капсюля

при

одновременном

приближе -

нии

д и а ф р а г м к неподвижному электроду н а п р я ж е н и я ,

генерируе­

мые

обеими частями

микрофона, с к л а д ы в а ю т с я : (1+cos 0) + (1 —

—cos 0) = 2 = const. Микрофон

действует как

ненаправленный .

При

установке д в и ж к а в

крайнем

правом

положении

поляри ­

зующие

н а п р я ж е н и я

на д и а ф р а г м а х

противоположны,

а

потому

жения можно изменять характеристику

направленности микро ­

фона.

Spi и Spn, действующие-

Следует обратить внимание, что силы

независимыми.

Это необходимо еще и потому, что звено акустиче­

ского

фильтра

внутри микрофона будет

д а в а т ь постоянное

по

вре­

мени

запоздание давления, независимое

от частоты л и ш ь

в

том

вому. Поэтому д и а ф р а г м ы такого

конденсаторного микрофона на­

тягивают слабо, чтобы

резонанс

их л е ж а л

в

середине

д и а п а з о н а

передаваемых частот

и

п р е о б л а д а ю щ и м было

вязкое сопротивле­

ние воздуха м е ж д у д и а ф р а г м а м и

и неподвижным электродом . Тог­

да м о ж н о приближенно достигнуть условия равенства

механиче ­

ского

сопротивления

д и а ф р а г м

волновому

сопротивлению

звена

фильтра .

4.9.

О Б Щ И Е С В Е Д Е Н И Я О Г Р О М К О Г О В О Р И Т Е Л Я Х

В качестве оконечного устройства современного

р а д и о в е щ а ­

тельного тракта, трактов диспетчерской связи, установок

о з в у ч а ­

ния и звукоусиления применяются почти исключительно

громкого­

ворители. Головные телефоны используются

в основном

в к о м м е р ­

телефонной связи, где высокие уровни ш у м а

на месте приема

силь­

но ухудшают условия слушания через громкоговоритель.

Исторически головной телефон («трубка

Б е л л а » ) , хорошо из­

вестный из школьного курса физики, был предшественником

г р о м ­

коговорителя. Простейший громкоговоритель

в н а ч а л е представлял;

нитной системой

и рупором, приставленным к камере, з а м е н я ю ­

щей к р ы ш к у телефона .

В д а л ь н е й ш е м

получили распространение электромагнитные-

громкоговорители

с диффузором . У такого громкоговорителя вмес­

ность и уменьшить нелинейные

искажения . Однако электромагнит ­

ные громкоговорители все ж е

вышли из употребления, так как

искажений, связанных с тем, что явление

магнитного

притяжения,

на

котором

основан

такой

громкоговоритель, — четное.

Современные громкоговорители почти исключительно электро­

динамические . Л и ш ь

в некоторых случаях используются

электро­

статические

громкоговорители.

Громкоговорители

делятся

на:

1)

громкоговорители

прямого

излучения,

2)

громкоговорители с

и з л у ч а ю щ и м

рупором.

Громкоговорители

прямого

излучения

могут

быть с

конусным

д и ф ф у з о р о м

(излучателем)

звука — они обычно

называются

диф -

фузорными,

и с. плоской или

цилин­

дрической излучающей д и а ф р а г м о й

большого

размера .

Д и ф ф у з о р п ы е

громкоговорители в настоящее вре­

мя строятся исключительно на элек­

тродинамическом

принципе

и

со­

ставляют

наиболее распространен­

ный тип громкоговорителя как в ап­

паратуре

широкого

потребления,

т а к и в профессиональной

аппарату ­

ре вещания и звукозаписи. Громко ­

говорители

с

плоской

д и а ф р а г м о й

строятся как

электродинамического,

0 -

—0

рупорного,

так

и

у

диффузорного громкоговорителей и описана в.

п а р а г р а ф е

3.2

(см.

рис. 3.1). У громкоговорителя прямого излу­

чения

к а р к а с с

обмоткой

укрепляется в малом

основании

легкого-

усеченного конуса и приводит его

в

колебания,

которые и излуча ­

ются

этим

конусом

(диффузором)

в

о к р у ж а ю щ у ю среду. У рупор­

ного

громкоговорителя

обмотка

с

каркасом

(обычно

называемая,

звуковой

катушкой)

крепится к

жесткой д и а ф р а г м е ,

р а б о т а ю щ е й

как поршень в горле рупора

(см. рис. 4.28). У диафрагменного

из ­

лучателя

(рис.

4.29)

в

магнитной

системе имеется

зигзагообраз ­

ный

зазор

м е ж д у полюсными наконечниками, в который

входит

звуковая

обмотка

такой

ж е

конфигурации .

Излучателем

с л у ж и т

ж е с т к а я

плоская д и а ф р а г м а ,

к которой крепится

обмотка .

Г р о м к о ­

говорители

этого типа, предложенные в свое время фирмой

Си ­

менс,

используются

мало,

главным

образом,

д л я весьма

м о щ н ы х

установок

звукоусиления

или

озвучания.

Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь г р о м к о г о в о р и т е л я

Используя

уравнения электродинамического преобразователя;

(3.10), м о ж н о

найти отношение скорости д в и ж е н и я и з л у ч а т е л я

на

преобразователь,

через сопротивление

нагрузки

gH

и подста ­

вив

в

(3.10),

получим:

F

= - b a v ,

и/і =

М / ( 3 о +

5н).

(4.83>

Здесь go — собственное

механическое

сопротивление

преобра­

з о в а т е л я — состоит из

инерциального сопротивления

д и ф ф у з о р а с

мы: 5 о = і с й ' / П п + ( i c o с п ) - 1 ;

са — гибкость

подвеса,

ти — масса

под­

вижной системы (масса катушки + масса

д и ф ф у з о р а ) .

Сопротивление

5н составляется

из

активной

и

реактивной

ч а ­

стей сопротивления

излучения. Так

к а к

д и ф ф у з о р

в

большей части

• д и а п а з о н а передаваемых

частот м а л по

сравнению

с длиной

вол­

представлена как

сопротивление некоторой массы соколеблющего -

ся с диффузором

воздуха: і х н = ' ш т в .

Если громкоговоритель излучает

звук

в свободное

пространство-

обеими сторонами д и ф ф у з о р а (см.

п а р

а г р а ф 4.3), то

его активное

пенью

частоты:

г и = р 0 С о 5 ( М ) 4 , если

kd<\

(S — и з л у ч а ю щ а я

пло­

щ а д ь

д и ф ф у з о р

а , &=со/со — волновое

число, d — характерный

р а з -

мер излучателя - диффузора,

по

величине порядка

радиуса его ос­

н о в а н и я ) .

Если

громкоговоритель

поместить

в я щ и к

так,

чтобы

з а д н я я

сторона

д и ф ф у з о р а

была

изолирована

от

внешней

среды,

то гп ведет

себя

как активное

сопротивление малого

монополя:

rn=p0c0S(kd)2.

З н а м е н а т е л ь

в ф-ле (4.83)

принимает

вид:

3 =

Зо +

Зн =

ico(mn + mB ) + (i с о с п ) - 1 +rH

=

i c o m ( l

—-соо/со2) + гя,

(4.84)

т = тп+тв,

©о = ( т с 0 ) - 1 .

Величина

г и

ка к дл я дипольного, т а к и д л я

монопольного

излу­

чения м а л а по сравнению с com, а потому только вблизи

резонанса

(сожсоо)

она

влияет

на величину

знаменателя . В

остальной

части

д и а п а з о н а

Зо +

Зн

можно

считать

чисто

реактивным,

(пропорцио­

тенны

(4.26)

и в ы р а ж е н и е

(4.83), легко

получить

чувствительность

громкоговорителя

в

виде:

Ев

=

I Pli |

=

(PoCo/D) (QSKa)U2M

І Зо +

З н Г 1

-

(4-85)

где Кш

в зависимости

от

того,

помещен

ли

громкоговоритель в

я щ и к или свободен,

составляет

(kd)2

или

(kd)i.

Если

примем КФ={М)4,

то,

к а к д л я

диполя,

следует

взять

Q = 3,

а

в

случае

Кш

= ( М ) 2

— Q = l . Таким образом,

из всех

вели­

чин, входящих в (4.85), от частоты зависят Ка

и с у м м а

(Зо +

Зн)-

Необходимо

согласовать

эти

величины,

т а к

чтобы

Еп

перестала

зависеть от частоты. Если

Ка

—ко4 , то

этого

достичь

нельзя,

по­

скольку

І З о + З в І

в

лучшем

случае

пропорционален

со. Остается,

таким образом, использовать устройство, при котором

громкогово­

ритель

помещен в я щ и к

и

работает

в области

частот

выше

меха­

нического

резонанса

д и ф ф у з о р а

(со>соо),

где

м о ж н о

принять,

что

] з| = < в т ,

а Д в =

(ad/с0)2.

Тогда

Еи

= Р о SB2 /2

[ 4 л D ( т п

+

тъ)Гх .

(4.86)

Здесь

х а р а к т е р н ы й

размер

d

в ы р а ж е н

через

и з л у ч а ю щ у ю

по­

верхность

д и ф ф у з о р а

(d2=S/4n)

и

М=В1

— произведение индук­

ции в з а з о р е

магнитной

системы

на

длину

провода

катушки .

И з

(4.86)

следует,

что д л я

повышения

чувствительности

ж е л а ­

тельно

увеличить

п л о щ а д ь

д и ф ф у з о р а

при

в о з м о ж н о

малой

его

массе,

добиться

высокой

индукции

в з а з о р е

и

в о з м о ж н о

большей

чение

массы

провода . Эт и требования противоречивы, т а к ка к уве­

личение п л о щ а д и д и ф ф у з о р а неизбежно

связано с

увеличением

массы

(та)

т а к ж е , к а к

и увеличение длины провода . Конусная

конструкция

излучателя

громкоговорителя

принята

именно пото-

Если кпд излучателя

не играет большой роли, то применение

алю­

миниевого провода

оказывается безусловно выгодным, та к ка к

при этом

масса подвижной системы уменьшается, а с нею и

инер­

ционные

усилия, которые в ы з ы в а ю т большие механические

напря ­

ж е н и я в

системе.

Рис.

4.30. Лодвеска диффу­

Рис. 4.Э1. Частотная характери­

зора

электродинамического

стика чувствительности диффу-

громкоговорителя

зорного (громкоговорителя в об­

ласти низких частот

нуса (рис. 4.30). Гибкость

этих деталей учтена в ф-ле

(4.84)

дл я

Активное

сопротивление определяется не только

излучением,

но и трением

системы о воздух и потерями энергии при деформа ­

ции системы

подвеса. О д н а к о

оно

значительно

меньше,

чем

c o ( i m n + i / n B ) , и

резонансные

свойства у

подвижной

системы

прояв­

л я ю т с я весьма резко. Н а рис. 4.31 представлена частотная

х а р а к ­

теристика отношения К^21

S H + S O

| _ i с учетом резонанса

механиче­

ской системы. И з рисунка

видно, что только в области выше

часто­

вательно, частоту резонанса надо стремиться

сделать в о з м о ж н о

ниже . Это следует делать увеличивая гибкость

с щ а не массу, та к

внесенное в

электрическую цепь сопротивление

z' = M 2 | § н + 5 о | - 1

н_а резонансе

резко возрастает . Так как источник,

питающий гром­

систему,

в

которую

вносится

механическое

сопротивление

g' — M2(z3+Zi)-\

где

z3 — собственное

электрическое

сопротивле­

ние подвижной

катушки громкоговорителя, a Zi — внутреннее со­

противление

выхода

мощного

к а с к а д а

усилителя. Сопротивления

2а и Zi имеют

преимущественно активный характер,

та к

что

j '

почти чисто

активное

сопротивление, которое д о б а в л я е т с я к

меха­

ническому

активному

сопротивлению гн и увеличивает

з а т у х а н и е

системы на

резонансе.

К р и в а я

К][2

( § н

+ З о | - 1 в этом случае имеет

стемы,

что нежелательно .

П о в ы ш е н и я частоты

м о ж н о избежать»

поместив громкоговоритель

не в ящик, а в э к р а н

в виде

большого

плоского щ и т а . Тогда

пути,

проходимые излученной звуковой вол ­

ной от передней и от задней

сторон, разные (рис. 4.32а). Че м

боль­

ш е разность хода звуковых

волн, тем больше

результирующее

д а в ­

ление в направлении оси громкоговорителя

на

низких

частотах,,

по сравнению с громкоговорителем, р а б о т а ю щ и м

без э к р а н а . Для

оценки

эффективности

такого устройства

полезно его, действие-

с р а в н и ть с действием

закрытого

ящика . Н а рис.

4.33 и з о б р а ж е н а

зависимость от частоты отношения давлений

а — рэ/ро, создавае ­

мых на оси, на одном

и том

ж е

расстоянии

от

громкоговорителя

при помещении его

в

я щ и к е

(ро)

и в э к р а н е

(рэ)

круглой ф о р м ы

д и а м е т р а d: ict(co) =

l —

(co/corf)sin(cocf/c0).

8)

8)

Рис. 4.32. Улучшение -излучения

низких частот

диффузорным

громкоговорителем:

л — с помощью экрана; б — с помощью

резонансного ящика; в — эквивалент­

ная схема акустического резонансного ящика

Н а ч и н а я

с частоты,

при

которой

а (со) достигает

единицы, э к р а н

д а е т тот ж е

эффект,

что

и ящик,

не

влияя, однако, при этом на

упругость механической подвижной системы. П р и м е н я я экран

не­

правильной

ф о р м ы

или

п о м е щ а я

гром- ^сс(ш)

коговоритель

несимметрично

(не

в

центре

э к р а н а ) , м о ж н о

уменьшить

не­

равномерность

эффекта

экрана,

а (со)

не будет

иметь

ярко

в ы р а ж е н н ы х мак­

симумов

и

минимумов. В

качестве

эк­

р а н а может

служить, например,

я щ и к

приемника

с открытой

задней

сторо­

ной. Д р у г о й

способ

улучшения

переда -

Рис.

, „

„

давлении

чи низких частот состоит

в

том,

что

4.33.

Отношение

г р о м к

о г о в о

р и т е л Я і

р а б Д о т

а ю щ е .

громкоговоритель

п о м е щ а ю т

в

ящик,

го в ящике а в экране, в за-

который представляет собой акустиче-

виоимоста

от волнового разме-

скую

резонансную

систему

(см. рис.

р а

дааметРа

экрана

4.326).

'

'

Громкоговоритель

у с т а н а в л и в а ю т в

стенке

я щ и к а , в

которой-

гаясь в

направлении

стрелки, создает объемную

скорость 1/д ,

то

в я щ и к

через открытое отверстие

втекает воздух

с

объемной

ско­

ростью V 0 . Из - за инерции соколеблющейся массы

тв

воздуха

в

отверстии

VK=t=V0. Р а з н о с т ь Уд —V0 составляет объемную

скорость

р а з р е ж е н и я и с ж а т и я

воздуха (VK)

в объеме ящика,

представляю ­

щ е г о собой, акустическую

гибкость. Соотношение

м е ж д у

Уя

и Уо

м о ж н о

рассчитать с помощью эквивалентной схемы,

приведенной

на рис. 4.32б, из которой

следует:

vjv0

-

' і co.mB/(i со с , ) " 1 = — ю2 /»2 ,;

м о

=

(m B c B ) _ 1

;

Vo =

^ ( l - c o a / t o S ) ~ 1

(4.87)

К а к видно,

V'0 возрастает при приближении oi к резонансной

ча­

стоте

соо я щ и к а

и при

переходе

через

резонанс

меняет

фазу

на

180°.

В ы ш е резонанса

одновременно с д в и ж е н и е м

д и ф ф у з о р а

впе­

ред

(по направлению

стрелки)

воздух

через отверстие

вытекает

из

я щ и к а , т. е. д в и ж е т с я против

стрелки.

Б л а г о д а р я

этому

излу­

чение, создаваемое

отверстием в

о к р у ж а ю щ е й среде,

оказывается

не

противофазно, а

синфазно с излучением

передней

стороны

д и ф ­

фект особенно заметен вблизи резонанса. Вследствие

неизбежных

потерь на трение и на излучение

Уо/Уд не о б р а щ а е т с я

в бесконеч­

ность, как это следует из (4.87),

при 'Ш=;соо, и переход через ре­

зонанс происходит плавно . Такое

устройство часто н а з ы в а ю т аку­

стоту, несколько меньшую резонансной частоты подвижной систе­

мы громкоговорителя, м о ж н о получить связанную

механико-аку­

стическую

систему, значительно у л у ч ш а ю щ у ю передачу

громкого­

ворителем

низких частот.

Работа громкоговорителя в области высоких

частот

Коэффициент сопротивления излучения поршня в

э к р а н е

(kd)x\/2.

При

дальнейшем увеличении

частоты он,

колеблясь,

п р и б л и ж а е т с я к

единице. Д о п у с к а я ошибку не более 3 д Б ,

можно

считать,

что при

kd^l/2

коэффициент Ка

= const = 1. Это

значит,

что

чувствительность

громкоговорителя

на

высоких частотах бу­

дет

п а д а т ь как 'со- 1 ,

если

механическое

сопротивление

подвижной

системы

сохраняет

инерциальный характер . П р а к т и к а

построения

громкоговорителей

показывает,

однако,

что такого резкого паде ­

ния не происходит. Это м о ж н о объяснить

д в у м я причинами.

1. С

повышением

частоты

диффузор

громкоговорителя пере­

стает колебаться

к а к н е д е ф о р м и р у е м а я масса и ведет

себя

ка к си­

нансов. Б л а г о д а р я тому, что

материал д и ф ф у з о р а о б л а д а е т боль ­

шим затуханием, резонансы

не очень ярко в ы р а ж е н ы и механиче­

зора) и сопротивления массы катушки, которая значительно мень­

ш е

массы

д и ф ф у з о р а . Р е а к т и в н а я

ж е часть сопротивления излуче ­

ния

резко

п а д а е т и п р и б л и ж а е т с я

к нулю. Все это содействует то­

му,

что отношение КЦ21 О о + 3 в I - 1

у б ы в а е т значительно медленнее,

чем по закону ю - 1 .

2. Н а

высоких частотах начинает

сказываться увеличение коэф ­

фициента

концентрации излучения

в направлении оси

симметрии

д и ф ф у з о р а , так как его р а з м е р ы становятся сравнимыми

с длиной