6.3. ДИФФУЗОРНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

На рис. 6.4 приведен схематический чертеж устройства динамического громкоговорителя. Принцип его действия взаимен с принципом действия динамического микрофона (см. § 4.6) и заключается в том, что катушка с

намотанным на нее проводом 1 [ср. ее с 5 на рис. 5.9 а и б], находящаяся в радиальном магнитном поле (см. рис. 5.9б) при пропускании через нее переменного тока испытывает действие силы где В — индукция в зазоре; длина провода.

Рис. 6.4. Динамический диффуэорный промкотаворитель: 1 звуковая катушка; 2 — диффузор; 3 — подвес диффузора; 4 — корпус; 5 — шайба; 7 — магниты; 6 и 8 — фланыы; 9 — керн; 10 — кольцевой зазор; 11 — отверстия для выхода тыльного излучения

Эта сила приводит в движение диффузор 2, жестко скрепленный с катушкой 1, называемой звуковой, и подвешенный к корпусу 4 по внешнему краю 3, а также центрируемый «шайбой» 5. Вследствие этого диффузор является поршневым излучателем и имеет одну степень свободы колебаний (только по осевому направлению). Магнитное поле создается кольцевым постоянным магнитом 7 и магнитной цепью из двух фланцев 6 и 8 и керна 9. Между керном и верхним фланцем есть кольцевой зазор 10, в котором размещена звуковая катушка 1, свободно колеблющаяся в нем.

Механическая подвижная система, состоящая из диффузора с звуковой катушкой и креплений, может рассматриваться, по крайней мере, на низких и средних частотах как единое целое, т. е. как простая колебательная система, состоящая из массы всей подвижной

системы включая и соколеблющуюся массу трех гибкостей, соединенны в аналоговой схеме последовательно [гибкость подвеса гибкость центрирующей шайбы и гибкость воздуха в ящике (см. рис. 6.26) ; трех активных сопротивлений (трение катушки о воздух в зазоре механические потери в диффузоре, центрирующей шайбе и подвесе а также сопротивление излучения Механическое сопротивление (4.1) в этом случае имеет вид

Чтобы диффузор не изгибался как мембрана, ем? придают соответствующую форму. Для создания необходимой жесткости диффузору чаще всего придают форму усеченного конуса с круговым или эллиптическим основанием. Тем не менее на высоких частотах диффузор колеблется как мембрана, т. е. с изгибом его поверхности: волны изгиба двигаются от центра к периферии и обратно, создавая стоячие волны по радиусам диффузора. Для больших диаметров диффузора (около 25 см) эти колебания начинают появляться на частотах выше 1500 Гц, для меньших размеров — соответственно на более высоких частотах. Это приводит к тому, что величины излучающей поверхности, массы и гибкости подвижной системы резко изменяются при небольшом изменении частоты вынужденных колебаний диффузора. Поэтому механическую колебательную систему следует рассматривать раздельно: для низких и средних частот как простую систему с сосредоточенными постоянными и для высоких — как систему с распределенными параметрами.

Входное электрическое сопротивление громкоговорителя определяется суммой собственного сопротивления катушки и вносимого т. е.

Собственное сопротивление динамического громкоговорителя состоит из активного сопротивления катушки и небольшой ее индуктивности Вносимое сопротивление определяется полным механическим сопротивление ем [см. (4.86)] и коэффициентом электромеханической

связи [см. (4.10)]. На рис. 6.5а приведена аналоговая схема для данного случая, из которой следует, что вносимое сопротивление (4.86)

Рис. 6.5. Схемы входного сопротивления громкоговорителя: а) электрическая с аналоговой мехашчеекой схемой; б) эквивалентная электрическая схема

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

В соответствии с характером частотной зависимости сделаем следующие замены:

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

Это означает, что все три электрические проводимости должны быть включены параллельно (рис. 6.56). Интересно отметить, что в эквивалентной схеме инерционное сопротивление имеет емкостный эквивалент, а упругостное сопротивление — индуктивный (нельзя путать этот эквивалент с аналогом).

Механическая колебательная система имеет резонансную частоту Эту частоту называют частотой механического резонанса. Из этого

следует, что и эквивалентный контур из 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 и эквивалентной емкостью С во вносимом сопротивлении.

Соответствующую частоту резонанса

называют частотой электромеханического резонанса. Выше частоты входное сопротивление определяется только собственным сопротивлением катушки и поэтому растет с увеличением частоты из-за ее индуктивного сопротивления. На рис. 6.6 приведена типовая частотная зависимость входного сопротивления.

Рис. 6.6. Частотная зависимость модуля входного сопротивления громкоговорителя: 1 — без инвертора; 2 — с инвертором

Диффузорный громкоговоритель обычно устанавливают в ящике или плоском экране, называемыми акустическим оформлением. Ящики применяются с открытой и закрытой задней стенкой (см. рис. 6.2 б, в). Иногда заднюю стенку делают перфорированной, затянутой

тканью или без нее. Для ящика с закрытой задней стенкой диффузор является излучателем нулевого порядка с теми оговорками, которые были сделаны для поршневых излучателей в бесконечном экране (см. § 6.2). Заметим, что излучение лицевой стороны диффузора в случае закрытой задней стенки происходит во всю сферу, а не в ее половину, как это получается в случае поршневой диафрагмы, находящейся в плоском бесконечном экране. Поэтому зависимость сопротивления излучения, приведенная на рис. 6.2а (кривая 3), несколько отличается от характеристики для бесконечного экрана (кривая 2).

Следует еще указать на то, что объем ящика с закрытой задней стенкой на низких частотах представляет собой упругостное сопротивление, а на средних — является резонатором. Собственные частоты таких резонаторов обычно лежат в области 500—1000 Гц.

Чтобы избежать влияния резонансов объема ящика, стенки его покрывают внутри звукопоглощающим материалом (см. на рис. 6.26). Однако полностью устранить влияние резонансов не удается, особенно на низких частотах (ом. § 11.2), так как коэффициенты звукопоглощения тонких слоев материала малы, а толстые слои не входят в ящик.

Кроме того, сами стенки ящика также могут колебаться под действием звуковых волн, излучаемых диффузором, что приводит к усложнению картины звукового поля, создаваемого диффузорным громкоговорителем. При этом на определенных частотах стенки ящика резонируют и тем самым вносят большие частотнозависимые изменения в сопротивление излучения громкоговорителя.

Для ящика с открытой задней стенкой (а также для громкоговорителей без оформления) диффузор является излучателем первого порядка, если длина волны значительно больше размеров ящика (или самого громкоговорителя, если он используется без оформления), т. е. на низких частотах. Соответственно этому на низких частотах при 1 излучение близко к нулю (см. на рис. 6.2а, кривая 4). С увеличением частоты, когда длина волны становится примерно равной удвоенной

длине пути звуковых лучей вокруг стенок ящика от лицевой стороны диффузора до тыльной, наблюдается сложение излучений, а при удвоении частоты — полная компенсация их (излучение от тыльной стороны диафрагмы имеет противоположный знак по отношению к фронтальному). При дальнейшем повышении частоты снова наблюдается сложение колебаний. На более высоких частотах эффект дифракции становится уже небольшим, и излучение будет происходить независимо во фронтальную и тыльную полусферы, т. е. излучатель может считаться излучателем нулевого порядка. Чтобы не было резкой компенсации излучения при длине волны, равной длине пути вокруг экрана, громкоговоритель располагают несимметрично по отношению к передней стенке ящика.

Если вместо сплошной задней стенки применена, например, перфорированная стенка с определенным акустическим сопротивлением, звуковые волны, излучаемые обратной (тыльной) стороной диафрагмы, дополнительно сдвигаются по фазе. В результате этого компенсация фронтального и тыльного излучений получается на более низкой частоте, чем при открытой задней стенке.

Определим чувствительность громкоговорителя (6.8). Из ф-лы (6.12) следует, что акустическая чувствительность

Согласно определению (6.8) механическая чувствительность

Для электродинамического громкоговорителя коэффициент электромеханической связи а электрическая характеристика (6.14) и (6.15)

Из этих выражений находим осевую чувствительность громкоговрителя по напряжению (6.8):

Для средних частот и низких, выше частоты механического резонанса, эта чувствительность

так как

Как видим, эта чувствительность определяется массой подвижной системы, индукцией в зазоре и акустической чувствительностью (6.12). Последняя для излучателей нулевого порядка почти пропорциональна частоте (см. § 6.2), поэтому чувствительность громкоговорителя на средних частотах не зависит от частоты. Если электрическое сопротивление задано, то чувствительность громкоговорителя можно повысить при одновременном увеличении длины и поперечного сечения провода, т. е. путем увеличения объема провода. А это повлечет за собой увеличение зазора, что снизит индукцию в нем. Ее можнф увеличить, применив более эффективные магнитные материалы и увеличив объем, что имеет свои границы. Таким образом, налицо противоречие, разрешить которое можно компромиссным путем. Во всяком случае следует уменьшать массу второстепенных деталей и хорошо использовать объем зазора. Для этого применяют провод с прямоугольным сечением, бескаркасную намотку катушки.

На частоте механического резонанса сом [см. (6.17)] а при условии согласования сопротивлений механической и электрической цепи А так как на низких частотах коэффициент концентрации близок к единице, то на частоте механического резонанса чувствительность громкоговорителя

Следовательно, отношение чувствительностей на средней и резонансной частотах

так как

где добротность всей колебательной системы. При соответствующем подборе добротности механической системы можно получить чувствительность на резонансной частоте, близкую к чувствительности на средних частотах. При таком условии частотная характеристика громкоговорителя будет иметь небольшую неравномерность в диапазоне от частоты механического резонанса до частот, на которых диффузор начинает колебаться как мембрана. Ниже частоты механического

резонанса чувствительность резко падает. Поскольку чувствительность зависит массы подвижной системы, снижать частоту механического резонанса (4.2) можно только увеличением гибкости системы. Частоту снижают до тех пор, пока подвижная система не начнет терять устойчивость и не возникнет опасность появления перекосов катушки и задевания ее за стенки зазора. Практически для широкополосных громкоговорителей не удается снизить частоту механического резонанса ниже 60—70 Гц. Следовательно, нижняя граница передаваемого диапазона частот не получается ниже 50—60 Гц, а в большинстве случаев она не ниже 70—80 Гц (рис. 6.7).

Частоту, выше которой диффузор колеблется как мембрана, можно повысить (при сохранении его массы и же размеров) путем придания ему большей жесткости. Это делают путем утолщения стенок диффузора с уменьшением их толщины к периферии. Одновременно с этим уменьшают плотность материала, например, делают его пористым (без сквозных пор). Применяется различная пропитка материала диффузора.

Рис. 6.7. Частотная характеристка даффузоряого громюогшорителя в экране

В диапазоне частот, в котором диффузор колеблется как мембрана, частотная характеристика получается очень изрезанной (см. рис. 6.7). Но так как слух человека из-за достаточно широких критических полосок слуха (см. § 2.2) сглаживает частотную характеристику, то не все пики и провалы заметны на слух. Частотная зависимость осевой чувствительности громкоговорителя (без учета резких пиков и провалов) близка к равномерной до частот примерно 6000—7000 Гц (см. рис. 6.7). Это объясняется тем, что с увеличением частоты перестает колебаться внешняя часть диффузора и масса его резко уменьшается. Особенно это заметно при использовании диффузора с криволинейной формой образующей. Правда, при этом уменьшается и излучающая поверхность, но в меньшей степени. Выше 7000— 8000 Гц частотная характеристика круто падает. Все это относится к несоставным громкоговорителям, рассчитанным для работы в широком частотном диапазоне.

Повысить верхнюю границу частотного диапазона до 10-12 кГц можно, например, кольцевой гофрировкой диффузора. При этом с увеличением частоты перестают колебаться один за другим внешние участки диффузора, одновременно уменьшается возможность колебания его как мембраны. Другой способ — применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Громкоговоритель с даполнительным конусом

В этом случае на высоких частотах основной диффузор перестает работать из-за относительно гибкого соединения его с звуковой катушкой, а в работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий.

Чувствительность громкоговорителя на высоких частотах можно повысить, уменьшая индуктивность звуковой катушки, например, с помощью токов Фуко, что уменьшает ее электрическое сопротивление и приводит к увеличению тока. Для этого на керн надевают насадку в виде медного колпачка с разрезом.

На низких частотах чувствительность громкоговорителя повышают с помощью фазоинвертора. Фазоинвертор (рис. 6.9) представляет собой ящик 1 (в котором расположен громкоговоритель 2) с отверстием 3 в передней стенке. Через это отверстие выходит наружу излучение с тыльной стороны излучателя.

Рис. 6.9. Громкоговоритель с фазоишертором: 1 — ящик; 2 — громкоговоритель; 3 — отверстие инвертора; 4 — внутренняя обивка поглощающим материалом

Рис. 6.10. Схема входного сопротивления громкоговорителя с инвертором: а) электрическая с аналоговой механической; б) эквивалентная схема

Отверстие и объем ящика представляют собой резонатор с параллельным соединением гибкости ящика с массой и активным сопротивлением (рис. 6.10а), соответствующих отверстию (эта масса равна массе воздуха в отверстии с добавлением соколеблющейся массы окружающей среды; активное сопротивление включает в себя потери на трение о стенки отверстия и его сопротивление излучения). Частоту такого резонатора подбирают равной частоте механического резонанса подвижной системы ом (без учета гибкости объема

воздуха в ящике которая уже входит в систему резонатора). В результате получаем механическую систему, состоящую из двух резонансных систем (рис. 6.10а) с последовательным резонансом и параллельным (последний имеет вид фильтра-пробки). На рис. 6.10 б дана эквивалентная схема, приведенная к электрическому громкоговорителя. При сравнении этой схемы со схемой рис. 6.56 видим, что появилось дополнительное звено Поэтому входное сопротивление громкоговорителя будет иметь провал на частоте механического резонанса и два максимума ниже и выше его (см. рис. 6.6, кривая 2).

Нижний резонанс получается на частоте и определяется гибкостью подвижной системы и массой верхний всей массой подвижной системы и гибкостью объема воздуха в ящике Поскольку резоиансная частота подвижной системы снизилась, так как в нее уже не входит гибкость [см. (4.1) и рис. 6.10а], то нижняя граница передаваемого диапазона тем самым тоже снизилась. Появление резонанса на частоте лежащей ниже частоты резонанса подвижной системы, еще несколько сдвигает нижнюю границу передаваемого диапазона. Кроме того, на частоте резонанса скорость колебаний в цепи т. е. в отверстии ящика, будет находиться в фазе со скоростью колебаний лицевой поверхности диффузора, так как инвертор поворачивает фазу на 180°, а фазы волн, излучаемых лицевой и тыльной поверхностями диффузора отличаются на 180°. В результате этого тыльное излучение диффузора добавляется к лицевому излучению. На частоте механического резонанса инвертор поворачивает фазу только на 90°, поэтому тыльное излучение добавляется к лицевому в меньшей степени, а на частоте уже никакой добавки нет. Поэтому фазоинвертор повышает чувствительность громкоговорителя преимущественно на частотах выше частоты механического резонанса.

Характеристика направленности одиночных диффузорных громкоговорителей целиком определяется характеристиками излучателей поршневого типа нулевого или первого порядка в зависимости размеров экрана или ящика, в котором помещается громкоговоритель. Коэффициент концентрации больших диффузорных

громкоговорителей не превышает четырех на частотах от 1000 до 2000 Гц. Заметим для сравнения, что для миниатюрных громкоговорителей (с диаметром диффузора не более 10 см) такой коэффициент концентрации получается только на частотах около 4000 Гц.

Диффузорные громкоговорители выпускают на мощность от 0,1 до и больше. Громкоговорители, используемые для непосредственного действия, имеют мощность до

У диффузорных громкоговорителей КПД мал из-за несогласованности сопротивления механической системы и акустического сопротивления воздуха. Недостаточно высок и КПД электромеханического преобразователя, так как у него мал коэффициент электромеханической связи. В результате этого диффузорные громкоговорители имеют стандартное звуковое давление в пределах Па. В соответствии с (6.7а) для коэффициента концентрации, равного четырем, получаем

Нелинейные искажения в диффузорных громкоговорителях в основном создаются из-за нелинейности, механической системы в центрирующей шайбе и подвесе диффузора и из-за неравномерного распределения индукции в зазоре. Первая причина обусловлена тем, что при больших амплитудах колебаний диффузора величина изгиба центрирующей шайбы и подвеса диффузора нелинейно связана с силой, действующей на них. Вторая причина также сказывается при больших амплитудах колебаний диффузора, так как при этом звуковая катушка выходит за пределы равномерного магнитного поля в зазоре (см. [2], § 6.7). При одинаковой излучаемой мощности амплитуда скорости колебаний диффузора растет с уменьшением частоты до резонанса, около частоты которого она достигает максимального значения. Дело в том, что излучаемая мощность определяется произведением квадрата скорости колебаний на сопротивление излучения (6.10). Последнее уменьшается с уменьшением частоты. А так как амплитуды скорости колебаний и смещения связаны соотношением то амплитуда колебаний звуковой катушки резко возрастает с уменьшением частоты вплоть до резонанса. Ниже частоты резонанса амплитуда резко падает. Коэффициент нелинейных искажений на частотах около 100 Гц доходит до 10 и более процентов. Для его

уменьшения применяют центрирующие шайбы, имеющие сложную конфигурацию и выполненые из специальных материалов, гофрированные подвесы, а также полюсные наконечники такой формы, при которой создается более равномерное поле в зазоре. Для маломощных громкоговорителей высоту звуковой катушки делают больше высоты зазора, вследствие чего число пересекаемых силовых линий не зависит от амплитуды колебаний, что, правда, приводит к снижению КПД, но для таких громкоговорителей это не играет роли.

Следует еще сказать о возможности появления субгармонических искажений, в результате которых создаются составляющие с частотами, равными половине частоты колебаний диффузора, т. е. субгармоники. Эти субгармоники создаются в тех случаях, когда образующая диффузора прямолинейна, т. е. когда диффузор имеет коническую форму. Чтобы уменьшить возможность возникновения субгармоник, образующей диффузора придают криволинейную форму.

Внутреннее сопротивление громкоговорителей обычно составляет несколько ом. Для его согласования с сопротивлением приемника, трансляционной линии и т. п. применяют трансформаторы. При этом входное сопрогивление громкоговорителей с трансформатором определяется номинальным напряжением источника мощности и номинальной мощностью громкоговорителя

К диффузорным громкоговорителям электродинамического типа можно отнести также и электродинамические ленточные громкоговорители. В настоящее время находятся в разработке ленточные громкоговорители высокочастотного типа, рассчитанные на диапазон частот от 2 до По конструкции они сходны с ленточным микрофоном, но имеют большую поверхность излучателя (ленточки).