Нелинейные искажения в громкоговорителе

Идеальные соотношения (3.10) не учитывают особенностей практических конструкций громкоговорителей, из-за которых возникают нелинейные искажения излучаемого сигнала. Соотношение (4.86) основано на предположении, что независимо от перемещения проводника в магнитном поле коэффициент электромеханической связи не меняется, и сила, действующая на подвижную систему, пропорциональна току звуковой частоты.

Рис. 4.35. Влияние неоднородности магнитного поля на коэффициент электромеханической связи. а — неправильное размещение обмотки; б - неполное использование магнитного потока; в — излишняя масса катушки

В действительности, поле в кольцевом зазоре магнитной системы не может быть сделано идеально однородным, и при перемещении в нем проводников катушки коэффициент электромеханической связи будет слегка изменяться. Это иллюстрируется рис. 4.35.

На рис. 4.35а при движении катушки вверх или вниз поток, пересекающий проводники, уменьшается, что ведет к нелинейным искажениям. На рис. 4.356, в показано, как можно уменьшить этот вредный эффект: сделать длину катушки много меньше магнитного зазора или, наоборот, много больше. К сожалению, оба пути невыгодны. Первый ведет к неполному использованию энергии магнита и увеличению массы и габаритов громкоговорителя при заданной мощности, а второй — к уменьшению чувствительности громкоговорителя из-за чрезмерного увеличения массы подвижной катушки. Правильное решение лежит посередине: катушка должна быть лишь немного длиннее зазора, чтобы при выходе части витков в более слабое поле по одну сторону зазора на другой стороне соответственная часть витков входила бы в более сильное поле внутреннего зазора.

Другим существенным источником нелинейных искажений является параметрическое возбуждение колебаний диффузора на частотах, субгармонических по отношению к частотам тока, текущего через звуковую катушку — эффект деления частоты диффузором громкоговорителя. Как показано на рис. 4.36, сила, действующая на диффузор со стороны катушки, может быть представлена как сумма распределенных сил, действующих вдоль образующих конуса.

Эти силы стремятся сжать (растянуть) конус вдоль образующей и при переходе предела устойчивости конуса будут выгибать его, как показано пунктиром. Если частота возбуждения катушки будет вдвое выше собственной частоты изгибных колебаний диффузора, то возникнет параметрический резонанс: конус будет колебаться на «половинной» субгармонической частоте и излучать эти колебания, отсутствующие в передаваемом сигнале.

Рис. 4.36. Параметрическое возбуждение резонансов диффузора

Параметрические резонансы могут возникнуть на ряде собственных частот диффузора, сильно ухудшая качество излучаемого звука.

Применением конуса с криволинейной образующей можно резко уменьшить число и амплитуду возбуждения параметрических резонансов. Для уменьшения таких искажений и получения более равномерной частотной характеристики чувствительности широко применяются диффузоры не с круглым, а с эллиптическим большим основанием.

Третьим источником нелинейных искажений является модуляция высокочастотных составляющих сигнала низкочастотными при излучении их диффузором.

Представим себе диффузорный громкоговоритель, который одновременно излучает звук высокой и низкой частот. Для излучения одинакового звукового давления на обеих частотах он должен иметь одинаковую амплитуду ускорения для этих частот. Следовательно, амплитуда скорости низкочастотной составляющей колебания будет во много раз больше, чем высокочастотной. Поэтому высокочастотное колебание будет излучаться диффузором, периодически движущимся на низкой частоте с большой колебательной скоростью относительно слушателя. При движении источника относительно точки приема возникает эффект Допплера, в результате которого высокочастотный звук окажется модулированным по фазе. Глубина модуляции будет пропорциональна амплитуде низкочастотной составляющей колебания диффузора. Звуковое давление в излученной волне высокой частоты можно записать в виде: где частота высокочастотного колебания диффузора; — частота низкочастотного колебания диффузора; — индекс фазовой модуляции.

Расчет показывает, что где амплитуда скорости высокочастотного колебания диффузора; скорость звука.

Если то выражение для коэффициента нелинейных искажений высокочастотной части сигнала принимает простой вид: Эксперименты показывают, что коэффициент этих искажений может быть порядка 2—3%. Таким образом, в диффузорных громкоговорителях легко могут возникнуть нелинейные искажения, если их применять для излучения широкого диапазона частот. Это еще одна из причин, по которой для высококачественного воспроизведения звука строят комбинированные громкоговорители, упоминавшиеся в предыдущем параграфе.