6. Нелинейные искажения в электродинамических головках

Одной из причин появления нелинейных искажений является неравномерность магнитного поля в зазоре, в котором движется звуковая катушка. Распределение магнитных силовых линий между керном 5 (стержневой магнит) и верхним фланцем 4 показано на рис.6.17.

Рис.6.17. Структура магнитного поля в зазоре между керном и верхним фланцем: 1–звуковая катушка; 2–диффузор; 3–диффузородержатель; 4–верхний фланец; 5–стержневой магнит (керн); 6–кольцо; 7–нижний фланец

Как видно из рисунка, в пределах зазора магнитные силовые линии распределены равномерно. За его же пределами расположено поле рассеяния, где индукция резко убывает с удалением от зазора. Если длина звуковой катушки равна глубине зазора, то при ее колебаниях часть витков будет выходить из него в зону ослабленной индукции. При этом средняя индукция магнитного поля, взаимодействующего с витками катушки, будет уменьшаться. Уменьшается при этом и электродинамическая сила F=BlI. В результате этого амплитуда смещения диффузора с катушкой уменьшится и не достигнет значения, которое имело бы место при неизменной индукции. Если ток в катушке изменяется по гармоническому закону, то при постоянной индукции электродинамическая сила, а значит и звуковое давление будет меняться по тому же закону. В случае же уменьшения индукции при выходе катушки из зазора произойдет изменение формы синусоиды по звуковому давлению, несмотря на то, что ток в катушке имеет форму синусоиды (рис.6.18).

Рис.6.18. К вопросу о появлении нелинейных искажений за счет неравномерности магнитного поля в зазоре:

а–форма тока низкочастотного сигнала в катушке;

б–форма звукового давления низкочастотного сигнала;

в–форма тока высокочастотного сигнала в катушке;

г–форма звукового давления высокочастотного сигнала;

–время, в течение которого часть витков катушки находится вне зазора.

Напомним формулу для акустической мощности: , где –колебательная скорость диффузора со звуковой катушкой, а х–их смещение вдоль оси.

Из приведенной формулы видно, что для излучения одинаковой мощности на низких частотах требуется большая амплитуда смещения катушки, чем на высоких. Поэтому из зазора катушку в основном выводит низкочастотный сигнал. Следовательно, средняя индукция магнитного поля, взаимодействующего с витками катушки, изменяется под воздействием низкочастотного сигнала.

Если по катушке пропустить одновременно токи низкой и высокой частот, то изменять среднюю индукцию будет низкочастотный сигнал. На отрезке времени , когда часть витков находится вне зазора, из-за ослабленной индукции амплитуда высокочастотного сигнала будет уменьшена. Высокочастотный сигнал по звуковому давлению будет модулирован по амплитуде как показано на рис.6.18-г. В результате амплитудной модуляции в спектре сигнала по звуковому давлению около высокочастотной составляющей появятся две боковых частоты, хотя в исходном сигнале их не было (рис.6.19).

Рис.6.19. Спектр сигнала в звуковой катушке (а) и в звуковом поле (б)

Появление дополнительных составляющих, отсутствующих в спектре исходного сигнала, означает не что иное, как появление нелинейных искажений. Представьте себе, насколько исказится спектр акустического сигнала, если подать в катушку не две частоты, а полный спектр частот реального сигнала.

Для уменьшения этого вида нелинейных искажений длину намотки катушки делают больше глубины зазора. В этом случае изменение средней индукции при колебательном движении катушки будет значительно уменьшено.

Другой причиной появления нелинейных искажений является изменение гибкости крепления подвижной системы головки при больших амплитудах колебаний, из-за чего нарушается линейность изменения возвращающей упругой силы F_упр (рис.6.20).

Если диффузор выходит за линейный участок изменения упругой силы, то происходит ограничение акустического сигнала по максимуму и по минимуму, аналогично показанному на рис.6.18–б.

Третья причина появления нелинейных искажений заключается в параметрических колебаниях образующей конуса диффузора

При движении катушки вправо под действием электродинамической силы F, образующая конуса диффузора испытывает сжатие из-за чего происходит ее изгиб. Допустим, что в первый (положительный) полупериод тока в катушке произошел изгиб внутрь (положение 1 на рис.6.21). Во второй полупериод направление силы F меняется на обратное, катушка движется влево, происходит растяжение образующей. В следующий положительный полупериод опять произойдет сжатие образующей, но изгиб произойдет уже наружу, так как после растяжения середина ее по инерции "проскочит" свое стационарное положение. После следующего растяжения изгиб произойдет опять внутрь и т.д. Таким образом, за два периода тока в катушке произойдет один период поперечного колебания образующей диффузора, т.е. колебания происходят на субгармониках. В спектре акустического сигнала появятся составляющие, частота которых в два раза меньше частоты тока в катушке. Это вызывает появление в воспроизводимом звуке резко различаемых негармоничных призвуков, воспринимаемых слушателями как дребезжание.

Рис.6.20. График изменения возвращающей упругой силы верхнего гофра и центрирующей шайбы (х–смещение диффузора)

.

Рис.6.21. Параметрические колебания образующей конуса диффузора

Это явление отсутствует или, по крайней мере, сильно ослаблено в диффузорах с криволинейной образующей (рис.6.22), так как при продольном сжатии такой диффузор всегда будет прогибаться в сторону уже имеющегося изгиба. По этой причине в настоящее время диффузоры с прямолинейной образующей применяются редко и только в маломощных головках.

Следует заметить, что все виды нелинейных искажений резко возрастают при перегрузке головки.

Рассмотрим искажения, возникающие вследствие переходных процессов, которые зависят от параметров подвижной системы и электрической цепи, в которую включена катушка.

При пропускании через катушку прямоугольного импульса постоянного тока или импульса синусоидального сигнала с прямоугольной огибающей катушка с диффузором не сможет мгновенно отклониться до соответствующего положения вследствие инерционности массы подвижной системы и присоединенной массы среды. После прекращения действия импульса тока в катушке подвижная система не может мгновенно остановиться и будет продолжать свободные колебания некоторое время. Происходит затягивание переднего и заднего фронтов импульса звукового давления (рис.6.23).

Рис.6.26. Подвижная система головки с вогнутой образующей диффузора.

Подвижная система под действием импульса тока может отклоняться к стационарному положению как в колебательном режиме (1), так и в апериодическом (2) в зависимости от степени демпфирования колебательной системы.

Напомним, что подвижная система головки имеет своим электрическим аналогом последовательный колебательный контур. Демпфирование контура зависит от потерь, создаваемых активным механическим сопротивлением системы и активной составляющей сопротивления излучения.

Ток от противоЭДС, наводимой в катушке при ее движении, направлен навстречу току, идущему от усилителя и оказывает тормозящее действие на катушку. Происходит так называемое электрическое демпфирование. Чем меньше выходное сопротивление усилителя и сопротивление катушки, тем больше ток от противоЭДС, тем больше его тормозящее действие.

Показанные на рис.6.23 и 6.24 искажения особенно ощутимы на слух при воспроизведении речи и эстрадной музыки, имеющих преимущественно импульсный характер.

При слабом демпфировании затухание собственных свободных колебаний подвижной системы головки продолжается довольно долго (0,10,15 с). Вследствие этого они будут накладываться на последующий звуковой импульс и значительно исказят сигнал, сопровождая его призвуками, отсутствующими в исходном сигнале.

Для уменьшения этих искажений необходимо уменьшать массу подвижной системы, иметь малое выходное сопротивление усилителя и сопротивление звуковой катушки. При размещении головки в закрытом ящике дополнительное (акустическое) демпфирование достигается размещением внутри ящика порис­того материала.

Рис.6.23. Переходный процесс в подвижной системе головки при подаче на катушку прямоугольного импульса постоянного тока: 1–колебательный режим; 2–апериодический режим; х–смещение подвижной системы

Рис.6.24.Переходный процесс в излучающей головке