Низкочастотный громкоговоритель (woofer).

При проектировании низкочастотных громкоговорителей, как всей конструкции в целом, так и ее отдельных элементов, исходят из специальных требований.

Низкочастотные громкоговорители, как правило, имеют более низкую чувствительность по сравнению со средне- и высокочастотными (из-за более тяжелой подвижной системы). В связи с этим, для обеспечения необходимого звукового давления в области низких частот, они должны выдерживать значительные мощностные нагрузки (200 Вт и более) при сохранении тепловой и механической прочности.

Сравнительно низкая резонансная частота (16...30 Гц), необходимая для обеспечения эффективного воспроизведения низкочастотных составляющих сигнала, требует высокой линейности упругих характеристик гибких элементов (подвеса и шайбы), вплоть до больших смещений подвижной системы (до ±12...15 мм).

Рис.18.2 АЧХ низкочастотного громкоговорителя

С точки зрения обеспечения неокрашенности звучания НЧ-громкоговорители должны иметь, помимо малых уровней гармонических искажений, как можно более гладкую (т.е. без ярко выраженных резонансов),амплитудно-частотную характеристику звукового давления, вплоть до верхней границы воспроизводимого ими диапазона частот (как правило 1500..3000 Гц). В результате экспериментов было установлено, что для того, чтобы НЧ-громкоговоритель не вносил слышимой окраски в звучание в верхней части воспроизводимого им диапазона, резонансные пики на его АЧХ должны быть не менее чем на 20 дБ ниже среднего уровня звукового давления, создаваемого акустической системой в этой области частот (после фильтрации) (рис.18.2).

Среднечастотные громкоговорители (mid-range)

Рис.18.3 Конструкция среднечастотного громкоговорителя: 1– диафрагма, 2–сетка, 3– медный колпачок, 4–верхний фланец, 5–кожух, 6–звуковая катушка, 7–вкладыш, 8–шайба, 9–подвес, 10–нижний фланец, 11–магнит, 12–керн

Конструирование среднечастотных громкоговорителей, особенно для аппаратуры Hi-Fi, является наиболее сложным процессом. Это обусловлено тем, что, во-первых, в акустических системах категории Hi-Fi и High-End СЧ-громкоговорители используются в диапазонах частот от 200…800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам искажений максимальна. (Субъективные дифференциальные пороги восприятия практически всех видов искажений достигают минимума в области 1...3 кГц).

Во-вторых, именно на эту область частот приходится максимум спектральной плотности мощности почти всех видов музыкальных программ.

Основные принципы конструирования отдельных элементов и узлов СЧ-громкоговорителей аналогичны тем, которые применяются в НЧ-громкоговорителях, однако существует и своя специфика. Так, например, излучающий элемент - диафрагму - в СЧ громкоговорителях изготавливают как в виде криволинейных конусообразных рупоров, так и в виде куполов (Рис.18.3). Конусообразные диафрагмы используются, как правило, в СЧ-динамиках, воспроизводящих частоты от 200...400 Гц (их иногда называют Mid-Bass). Диаметры таких громкоговорителей составляют 125...200 мм, а верхние воспроизводимые частоты доходят до 3…5 кГц. Однако, такие динамики стараются использовать в более узкой полосе, так как из-за сравнительно больших размеров диафрагм они имеют узкую направленность.

СЧ-громкоговорители диаметрами 160...200 мм находят все большее применение в акустических системах, работающих совместно с НЧ-блоками (subwoofer), построенными по принципам "двойной фазоинвертор", "симметричная нагрузка", и воспроизводящими частоты не выше 150...200 Гц. В качестве материала для таких диафрагм чаще всего продолжают применять специально разработанные композиции на основе растительных целлюлоз, синтетических пленочных материалов, а также на основе полипропилена или высокомодульного кевлара.

Купольные диафрагмы имеют, как правило, диаметры 40...80 мм. СЧ-динамики с ними обладают лучшей направленностью, и применяются обычно в высококачественных акустических системах для воспроизведения частот от 600...1000 Гц до 6...8 кГц. Форма купольной диафрагмы жестко связана с применяемым для нее материалом. Как правило, диафрагмы изготавливаются либо из "мягких" (пропитанные ткани, синтетические пленки, целлюлоза и т. п.), либо из "жестких" материалов (алюминиевая, титановая, бериллиевая фольга, различные их высокомодульные сплавы, например, с бором, и т. п.).

У "мягких" диафрагм собственные окружные и радиальные резонансы расположены, как правило, в области воспроизводимых частот. Для уменьшения их амплитуд применяются различные меры по увеличению конструктивной жесткости: ребра жесткости на поверхности, использование составных диафрагм из куполов различной кривизны и жесткости материала и т.п., а также увеличение демпфирования за счет нанесения на их поверхность различных пропиток и смазок. При этом чрезмерное нанесение таких покрытий может привести к гистерезисным явлениям при колебании диафрагмы, что, в свою очередь, вызовет субъективное ощущение потери "полетности" звучания.

У СЧ-динамиков с мягкими диафрагмами подвесы обычно изготавливаются (прессуются или отливаются из целлюлозы) вместе с диафрагмой, и имеют, в основном, профиль тороидальной, синусоидальной или тангенциальной формы. В акустических системах средней мощности используют купольные СЧ-громкоговорители с одним подвесом, без центрирующей шайбы. В акустических системах большой мощности и низкой частотой раздела применяют СЧ-громкоговорители с двумя гибкими элементами, как в НЧ-громкоговорителях, т.е. подвесом и шайбой, так как при закреплении на одном подвесе при больших смещениях возможны интенсивные поперечные и крутильные колебания подвижной системы, что существенно увеличивает нелинейные искажения. В

некоторых конструкциях СЧ-динамиков под диафрагмой размещают звукопоглощающий материал, демпфирующий резонансы объема воздуха.

СЧ-громкоговорители с мягкими диафрагмами имеют, как правило, меньшую чувствительность, чем с жесткими диафрагмами, за счет более тяжелых из-за применения различных пропиток и смазок диафрагм. В связи с этим их стараются делать несколько более мощными, применяя звуковые катушки больших диаметров (50...80 мм), заполняют зазоры магнитных цепей магнитной жидкостью, обеспечивающей более интенсивное отведение тепла от звуковой катушки к неподвижным деталям магнитной цепи.

Для снижения нелинейных искажений, вызванных взаимодействием переменного магнитного поля звуковой катушки с постоянным магнитным полем цепей, в последних применяются описанные выше меры ("короткозамкнутые витки" и т.п.) Уменьшение влияния неравномерности и неоднородности магнитного поля в зазоре магнитной цепи во всех СЧ-динамиках (и с мягкими, и с жесткими диафрагмами) достигается применением звуковых катушек, имеющих высоту намотки, несколько меньшую высоты зазора, что позволяет звуковой катушке, учитывая сравнительно небольшую амплитуду ее смещений, находиться в процессе работы в наиболее равномерном и однородном постоянном магнитном поле внутри зазора.

Необходимо отметить, что СЧ-громкоговорители с мягкими диафрагмами, особенно при малых уровнях входного сигнала, обеспечивают неокрашенное, естественное по тембру звучание. Однако, при больших уровнях, в них может возникнуть потеря динамической устойчивости и, соответственно, слышимые искажения.

В СЧ-громкоговорителях с жесткими купольными диафрагмами обеспечивается расширенный воспроизводимый диапазон частот (до 12 кГц) при практически поршневом характере колебаний, что дает малые уровни переходных искажений и чистое звучание.

Высокочастотные громкоговорители (tweeters)

Требования к высокочастотным громкоговорителям для бытовых и профессиональных акустических систем за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной (особенно электронной) музыке, а также с расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой. Все это потребовало от фирм-производителей решения целого ряда новых конструктивных и технологических задач при проектировании ВЧ-громкоговорителей (рис. 18.4).

Рис18.4 Конструкция высокочастотного громкоговорителя: 1– диафрагма, 2–звукопоглощающий материал, 3– медный колпачок, 4–концентратор, 5– верхний фланец, 6– магнит, 7– керн, 8– нижний фланец

В современных акустических системах высокочастотные громкоговорители используются, как правило, в диапазонах частот от 1,5…3 кГц до 30...40 кГц (зачем нужен такой широкий диапазон частот, если предел слуха составляет 20 кГц, да и то в ранней молодости, - это предмет многочисленных обсуждений в психоакустике). Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне с помощью одного громкоговорителя чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ-динамиков применяются в диапазонах от 2...5 до 16...18 кГц, а в некоторых акустических системах устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ-громкоговорители (supertweeter), воспроизводящие частоты от 8...10 до 30...40 кГц. Примером такого современного громкоговорителя может служить ST-200 фирмы Tannoy, воспроизводящий диапазон до 54 кГц со спадом 6 дБ, и выдерживающий подводимую мощность 135 Вт (до 550 Вт в пиках).

Обычно в ВЧ-громкоговорителях используются купольные диафрагмы (диаметром 15….40 мм), так как в этой области частот у конусных диафрагм не удается избежать радиальных резонансных мод собственных колебаний, значительно ухудшающих как объективные характеристики, так и звучание. Электрические мощности таких динамиков достигают 8...15 Вт (без фильтрующе-корректирующих цепей) и 20…50 Вт в составе акустических систем, а чувствительность - не менее 90 дБ/Вт/м. Мощности ВЧ-динамиков все время растут - примером может служить вышеупомянутый громкоговоритель Tannoy; имеется целый ряд моделей, где мощности превышают 100 Вт, а чувствительность достигает 100 дБ/Вт/м.

Диафрагмы ВЧ-громкоговорителей, также как у СЧ-громкоговорителей, изготавливаются из тех же "мягких" или "жестких" материалов, соответственно горячим прессованием или штамповкой, с электронно-вакуумным напылением. В качестве материалов используется алюминий, титан (в вышеупомянутой модели Tannoy ST-200 купольная диафрагма изготовлена из 25 мкм титана с напыленным слоем золота), и даже самый легкий (и самый вредный при производстве) металл - бериллий. Для повышения теплоотвода от звуковой катушки в некоторых конструкциях купол и каркас звуковой катушки изготавливаются как единая деталь из одного материала (например, алюминиевой фольги). Наряду с купольными диафрагмами в ряде моделей применяются плоские или U-образные кольцевые диафрагмы (такие ВЧ-динамики применяются в концертно-театральной аппаратуре).

Подвесы у ВЧ-громкоговорителей изготавливают обычно из того же материала, что и диафрагма (хотя встречаются и комбинированные конструкции), плоской или синусоидальной формы. Для предотвращения возникновения резонансных колебаний объема под диафрагмой, подвес, как правило, заполняется демпфирующим материалом.

Звуковые катушки ВЧ-динамиков часто наматываются алюминиевым (иногда серебряным) плоским проводом, позволяющим за счет меньшего удельного веса по сравнению с медным увеличить уровень звукового давления в области верхней граничной частоты на несколько децибел.

Специфической особенностью ВЧ-громкоговорителей является использование "акустических линз" (эквилизаторов, концентраторов), устанавливаемых перед диафрагмой, и обеспечивающих выравнивание АЧХ в определенных диапазонах, и изменение характеристики направленности.

Некоторые технические параметры, по которым нормируются громкоговорители:

• номинальное электрическое сопротивление - сопротивление катушки в качестве нагрузки постоянному току;

• полное электрическое сопротивление - сопротивление переменному току в рабочем диапазоне частот с учетом максимумов и падений сопротивления на отдельных частотах и наличия противо-ЭДС.

• частота основного резонанса - частота, при которой возрастает до пикового максимума полное электрическое сопротивление катушки;

• добротность электромеханической системы громкоговорителя. Это очень важная характеристика. Она показывает степень инерционности системы - как механической, так и электрической, и определяет скорость затухания свободных колебаний монитора;

• номинальный диапазон частот, т.е. частотная область, в которой работа громкоговорителя удовлетворяет норме;

• среднее звуковое давление - давление, развиваемое в определенном диапазоне частот и в определенной точке звукового поля при подаче определенной электрической мощности;

• характеристическая чувствительность;

•неравномерность АЧХ - разность между максимальным и минимальным давлением в номинальном (или при необходимости в каком-либо ином) диапазоне частот. У хороших громкоговорителей она не превышает 3-4 дБ;

• частотная характеристика - графическое изображение предыдущего параметра;

• направленность - изменение давления при отклонении от рабочей оси на определенный угол при неизменном расстоянии от центра;

• коэффициент гармоник (обычно 3-й гармоники и выше) - выраженный в процентах уровень гармоник, появляющихся при подаче на громкоговоритель чистого синусоидального сигнала, в котором никаких гармоник нет;

• коэффициент интермодуляционных искажений. Об этом параметре нужно сказать подробнее. Предположим, на громкоговоритель подан сигнал, содержащий две частоты 100 и 1000 Гц. В результате взаимодействия этих частот возникают комбинационные частоты (иногда некорректно называемые комбинационными гармониками) с частотами, соответствующими разности или сумме верхней частоты и частоты, кратной нижней - в нашем случае 800, 1200 , 600, 1400 Гц и т.д. Чем ниже общий уровень этих частот, тем лучше. Идеальный громкоговоритель вообще не должен генерировать эти частоты, как и любые другие, отсутствующие в исходном сигнале.

Из нескольких параметров мощности наиболее важны следующие:

•номинальная мощность - мощность, при которой нелинейные искажения не превышают заданного предела;

• "музыкальная мощность", называемая также "паспортной", "максимальной шумовой", "продолжительной" и т.д. - мощность в определенном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает при реальном или широкополосном шумовом сигнале без повреждений на протяжении некоторого времени;

• пиковая (максимальная кратковременная) мощность - мощность, которую выдерживает громкоговоритель при шумовом сигнале на протяжении короткого импульса (от 0,01 до 1n) без повреждений;