46

8.2. Основы устройства акустических систем и громкоговорителей.

В современных высококачественных акустических системах используется в основном многополосный принцип построения, поскольку применение одной широкополосной головки громкоговорителя не позволяет обеспечить современные требования по техническим параметрам(нелинейным искажениям, динамическому диапазону и др.) и качеству звучания. В связи с чем, акустическая система состоит, как правило, из: излучателей(головок громкоговорителей) , каждый из которых (или несколько одновременно) работают в своем частотном диапазоне ; корпуса , который может состоять как из нескольких отдельных корпусов (блоков),каждый для излучателей своего диапазона, так и представлять единую конструкцию; фильтрующе- корректирующих цепей, а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т. д.); звуковых кабелей и входных клемм ; усилителей для активных акустических систем и кроссоверов (активных фильтров), в случае применения отдельных усилителей для каждой полосы частот. Этот набор элементов используется как в бытовых, так и в профессиональных акустических системах. Внешний вид современной бытовой высококачественной акустической системы показаны на рис.8.1.Краткая характеристика основных элементов конструкции акустических систем приведена в следующих подразделах.

8.2.1.Головки громкоговорителей. Основы устройства

Классификация громкоговорителей (или «головок гром­коговорителей») может быть произведена по различным признакам: по принципу действия; способу излучения; полосе передаваемых частот; форме диафрагмы; области применения и т.д.

По принципу действия(т.е. способу преобразования электрической энергии в акустическую.)громкоговорители могут быть подразделены на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пъезопленочные), плазменные и др.

Наибольшее промышленное применение имеют электродинамиче­ские громкоговорители, определяемые как «преобразователи, действие которых основано на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током»[1].

Электродинамические громкоговорители могут быть реализованы в нескольких вариантах: катушечные, ленточные и изодинамические.

Катушечные громкоговорители используют цилиндрическую катуш­ку с намотанным проводником, помещенную в магнитное поле, при движении которой приводится в ко­лебания жестко скрепленная с ней диафрагма. Основы устройства электродинамического катушечного громкогово­рителя показаны на рис.8.2. Громкоговоритель состоит из трех частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя. Подвижная система включает в себя подвес 2, диафрагму (кониче­скую или купольную) 3, центрирующую шайбу 4, пылезащитный кол­пачок 5, звуковую катушку 6. Звуковая катушка пред­ставляет собой цилиндрический каркас с намотанным в несколько слоев (обычно в два слоя ) изолированным проводником. При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи , на нее будет действовать механическая сила F=BLI, где В - индукция в ра­бочем зазоре, L - длина проводника, I - сила тока. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Центрирующая шайба представляет собой гофрированную мембрану, которая обеспечивает центровку звуковой катушки в зазоре, препятствует ее крутильным колебаниям, но позволяет ей совершать осевые колебания, поэтому центрирующая шайба должна обладать большой гибкостью в осевом на­правлении и малой в радиальном и кольцевом. Подвес — кольцевая, обычно гофрированная оболочка, позволяющая диафрагме совершать осевые колебания ,и предохраняющая ее от крутильных колебаний, т.е. она также должна обладать большой гибкостью в осевом направлении и малой в кольцевом и радиальном. Диафрагма представляет собой упругую оболочку ,форма которой может быть конической, сферической, плоской и др. Под действием меха­нической силы со стороны звуковой катушки диафрагма совершает колебания, кото­рые создают звуковые вол­ны в окружающей среде. Пылезащитный колпачок- купольная или плоская пластинка, предох­раняющая зазор магнитной цепи от попадания пыли, и одновременно явля­ющаяся ребром жесткости для диафрагмы. Гибкие выводы - проводники, соединяющие выводы звуковой катуш­ки с присоединительными клеммами громкоговорителя. Магнитная цепь-1- выполняется обычно в трех вариантах (рис.8. 3) - коль­цевая с ферритовыми магнитами (а), керновая с литыми магнитами (б) и кольцевая с литыми магнитами (в). Элементами магнитной цепи являются: магнит в виде кольца или керна-1, верхний-2- и нижний-3- фланцы, стакан или скоба –4-, керн –5-, полюсный наконечник –6-. Постоянный магнит создает постоянный магнитный поток, замкнутые силовые линии которого пере­секают цилиндрический воздушный зазор между верхним фланцем и керном в радиальном направлении. Диффузородержатель –8- служит для объединения магнитной цепи и подвижной системы и обеспечивает возможность закрепления громкогово­рителя в корпусе АС, с которым он предназначен работать. Каждый из элементов подвижной системы и магнитной цепи ока­зывает свое влияние на выходные характеристики громкоговорителя и его качество звучания .

- Ленточные громкоговорители, используют тонкую металлическую ленточку, которая помещается в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и про­водником тока и колеблющимся излучающим элементом (рис. 8.4).

• Изодинамические громкоговорители (ортодинамические, излучатели Хейла) применяют в качестве излучающего элемента тонкую мембрану из диэлектрической пленки, на которую методом травления или напыления наносится провод­ник в виде прямоугольной или крутой спирали (рис.8.5). Разновидностью изодинамического громкоговорителя является излучатель Хейла, отличаю­щийся тем, что в качестве излучающего элемента используется гофриро­ванная мембрана из диэлектрической пленки с проводником специальной формы(рис.8.4.б). Нанесение гофрировки увеличивает КПД громкоговорителя.

Наибольшее распространение среди громкоговорителей не электроди­намического типа получили электростатические громкоговорители.

Электростатические громкоговорители используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки толщиной порядка 6... 10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая ме­таллизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электрода­ми приложено высокое поляризующее напряжение порядка 8...10 кВ. Пере­менное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеб­лется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа выпускаются целым рядом фирм Quad, ESS и др., они обес­печивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переход­ных искажений и достаточно широко применяются в аппаратуре HI-FI и студийных агрегатах.(рис.8. 6).

Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве воз­буждающего элемента в них применяется биморфный элемент, получен­ный путем соединения двух пластин из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформа­ции, которые передаются соединенной с ним диафрагме. Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пъезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым с помощью специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук рис.8.7 (для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи).

Кроме этих известны разработки и других типов громкоговорителей (плазменных , пневматических, цифровых и др.),но они используется в очень ограниченных объемах.

=По способу излучения акустической энергии: громкоговоритель, у которого диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, называется громкоговорителем прямого излучения. Если диафрагма излучает звук через рупор и предрупорную камеру, то это узко­горлый рупорный громкоговоритель. Если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.

=По полосе передаваемых частот: способ конструирования и технология производства громкоговорителей существенно различаются в зависимости от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на широкополосные; низко­частотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40Гц…500-1000 Гц);среднечастотные (диапазон 0,3-0,5 кГц...5-8 кГц); высокочастотные (1-2 кГц...16-30 кГц) и др.

=По форме диафрагмы:в качестве диафрагмы у громкоговорителей могут использоваться оболочки различной формы- конус (прямолинейный или криволиней­ный), купол (выпуклый или вогнутый), плоский диск или кольцевой сег­мент. В зависимости от этого громкоговорители разделяются на конусные, купольные и т. д.

=По области применения: в зависимости от области применения параметры громкоговорителей и их конструкция значительно различаются (например, громкоговорители для телевизоров, приемников, студийной, концертно-театральной аппаратуры и т.д.).

Таким образом, примерами полного наименования громкоговорите­лей могут служить следующие:75ГДН-01 - электродинамический катушечный конусный низкоча­стотный громкоговоритель с паспортной мощностью 75 Вт для АС кате­гории HI-FI ;6ГДВ-2 - громкоговоритель электродинамический купольный высо­кочастотный с паспортной мощностью б Вт для АС категории HI-FI ;ЗГДШ-1 - электродинамический катушечный конусный широкопо­лосный с мощностью 3 Вт для телевизоров;10ГИВ-1-громкоговоритель изодинамический высокочастотный с паспортной мощностью 10 Вт для АС категории HI-FI.