1.2.5. Телефоны и громкоговорители

П реобразователи электрических колебаний в звуковые, применяемые в средствах диспетчерской связи, являются при­борами электромагнитного и электродинамического типов. Свойство обратимости этих преобразователей позволяет ис­пользовать их не только как микрофоны, но и в качестве те­лефонов и громкоговорителей.Наибольшее распространение в роли телефонов получили электромагнитные преобразователи с простой и дифференци­альной магнитными системами. Поскольку электроакустиче­ский преобразователь дифференциального типа был рассмотрен в п. 1.2.3, то целесообразно уделить внимание принципам работы телефона с простой магнитной системой (рис.4).

Магнитная систе­ма телефона состоит из постоянного маг­нита 3, двух полюс­ных наконечников 4 с надетыми на них ка­тушками 1 и закреп­ленной с небольшим зазором от наконеч­ников мембраной 2. Обмотки катушек соединены так, чтобы при пропускании по ним тока в магнитопроводе создавался суммарный магнит­ный поток Ф_~. При отсутствии в катушках телефона тока дей­ствует постоянный магнитный поток Ф₀, который, замыкаясь через полюсные наконечники и мембрану, притягивает ее, уменьшая воздушный зазор.

Когда по катушкам проходит разговорный ток, тогда в за­висимости от направления создаваемого им магнитного по­тока Ф_~ результирующий магнитный поток изменяется по ве­личине. Под действием меняющегося уровня магнитного пото­ка мембрана совершает колебательные движения, возбуждая в окружающей среде звуковые волны.

Неискаженное воспроизведение звуков происходит лишь при условии, когда поток постоянного магнита значительно превышает амплитуду магнитного потока, создаваемого ка­тушками телефона. Чтобы показать это, необходимо рассмот­реть силы, действующие на мембрану.

Известно, что сила притяжения мембраны пропорциональ­на квадрату магнитного потока

F=kФ² (1.28)

где k — коэффициент пропорциональности;

Ф — мгновенная величина результирующего магнитного потока.

Если в катушки поступает ток, изменяющийся по гармони­ческому закону, то результирующий магнитный поток можно представить в виде

Ф = Ф₀ + Ф_m cosωt = Ф₀ (1 + m cosωt) (1.29)

где m = — коэффициент модуляции магнитного потока.

Подстановка выражения (1.29) в формулу (1.28) даёт сле­дующий результат:

F = kФ₀²(1 + m cosωt)² = kФ₀² (1+2m cos ωt+m²cos²ωt). (1.30)

m²cos²ωt = 0,5 m²(1 + cos2ωt)

Учитывая, что m²cos²ωt = 0,5 m²(1 + cos2ωt), следует обра­тить внимание на наличие колебаний мембраны с частотой второй гармоники, обусловливающих нелинейные искажения. При условии m<<1 эти искажения пренебрежимо малы и можно считать, что на мембрану действуют только две силы — постоянного притяжения и переменная, с частотой возбуждаю­щего телефон тока. Чтобы соблюдалось это условие, необхо­димо использовать сильный постоянный магнит, при котором Ф₀>>Ф_m. Такой магнит, как следует из выражения (1.30), создает увеличение переменной составляющей силы, вызываю­щей колебания мембраны

2k m Ф₀²cosωt = 2kФ₀Ф_m cosωt (1.31)

Он повышает чувствительность телефона, представляющую собой отношение звукового давления к действующему значе­нию напряжения звуковой частоты, подводимого к катушкам.

Однако использование слишком сильного маг­нита может привести к насыщению мембраны, как это следует из рас­смотрения характеристики намагничивания (рис.11).

Напряженность магнитного поля Н склады­вается из постоянной величины, обусловлен­ной действием постоян­ного магнита, и пере­менной составляющей, вызываемой катушками телефона. Если посто­янный магнит создает индукцию в зазоре В₁ то амплитуде перемен­ной составляющей Н_m соответствует измене­ние индукции на B_m’. Если же более сильный магнит создает индукцию В₂, то такой же переменной составляющей магнит­ного поля Н_m будет соответствовать значительно меньшая амплитуда индукции B_m’.

Магнитная индукция представляет собой плотность маг­нитного потока

B =

где S — площадь поверхности, расположенной перпендикуляр­но по отношению к потоку Ф.

В рассмотренном случае возрастание Ф за счет более силь­ного магнита (В₂ > В₁) ведет к резкому снижению Ф_m (так как B_m’’<< B_m’) и согласно выражениям (1.30) и (1.31) вызы­вает ослабление чувствительности телефона, обусловленное насыщением мембраны.

Таким образом, с применением постоянного магнита умень­шаются нелинейные искажения и, если мембрана не попадает в рамки насыщения, увеличивается чувствительность теле­фона.

В авиагарнитуре АГ-2 используется электромагнитный те­лефон типа ТА-56М с простой магнитной системой. В микро­телефонных трубках находят применение телефоны типов ТА-4 и ТК-67. Телефон с дифференциальной магнитной систе­мой используется в авиагарнитуре АГ-3 [4]. Он обладает бо­лее равномерной частотной характеристикой чувствительности. В диапазоне частот от 100 до 4000 Гц относительная неравно­мерность не превосходит 10 дБ, тогда как для телефонов с простой магнитной системой она составляет 20—45 дБ. Чув­ствительность на частоте 1000 Гц находится в пределах 6— 14 Н/м²В. Коэффициент нелинейных искажений на той же ча­стоте при действующем напряжении 1,65 В не более 8%, а максимально допустимое напряжение 10 В.

Электродинамический преобразователь свободен от не­достатков, вытекающих из принципа действия рас­смотренного прибора. В его магнитной системе (рис.12) отсутствуют элементы, подверженные насыщению. Поэтому в ней могут дей­ствовать сильные магнитные поля и достигаются значи­тельные величины звукового давления, благодаря которым электродинамические преобразователи использу­ются как громкоговорители.

Принцип работы электродинамического громкоговорителя основан на взаимодействии с полем постоянного магнита 4 катушки 5, по которой протекает ток звуковой частоты. В ре­зультате этого взаимодействия катушка перемещается вдоль сердечника 1, совершая колебательные движения. Она жестко связана с диффузором 2, прикрепленным к раме 3. Для при­дания подвижности диффузору его поверхность гофрируется в области крепления к раме. Колебания катушки сообщаются, диффузору, возбуждающему в окружающей среде звуковые волны.

Мощность звуковых колебаний зависит от мощности сигна­ла, подведенного к катушке. Она не должна превышать вели­чины, рассчитанной для того или иного громкоговорителя. Эта величина зависит от силы постоянного магнита и пло­щади поверхности диффузора. Чем сильнее магнит, тем боль­ше амплитуда колебаний катушки, а следовательно — звуко­вое давление. С увеличением поверхности диффузора связано возрастание силы звука и, согласно выражению (1.5), повы­шение мощности звуковых колебаний.

В обозначении типа громкоговорителя число, предшествую­щее буквенному индексу, указывает па его мощность. В устройствах ГГС используются громкоговорители типов 0,5ГД-35, 1ГД-42, 2ГД-28 и др.