Функцинально-сиситемное представление ГГ. понятие о мех и акустич коэффициентах отдачи. Осевая интенсивность и давление, характеристическая чувствительность520

Громкоговорителем называют электроакустический аппарат (уст­ройство), предназначенное для преобразования электрических колеба­ний звуковой частоты в акустические волны в воздушной среде. Громко­говоритель является конечным звеном любого звукового тракта и одним из наиболее важных, так как его свойства оказывают большое влия­ние на работу тракта в целом. Конструктивно громкоговоритель состо­ит из одной или нескольких головок громкоговорителей (ГГ), акусти­ческого оформления, фильтров, трансформаторов, регуляторов уровня и т.п. В соответствии с определением словаря МЭК термин «громко­говоритель» (loudspeaker) применяется как к громкоговорящей системе в целом, так и к одиночному преобразователю (unit loudspeaker), кото­рый в отечественной литературе и стандартах называют «головкой гром­коговорителя». В дальнейшем головкой громкоговорителя (ГГ) будем называть пассивный электроакустический преобразователь, предназна­ченный для преобразования электрических сигналов звуковой частоты в акустические, не содержащий каких-либо дополнительных устройств (корпуса, фильтров и т.д.).

Головки громкоговорителя являются составной частью любой зву­ковоспроизводящей аппаратуры: телевизоров, радиоприемников, маг­нитофонов, домашних акустических систем, аппаратуры кинотеатров и концертных залов, студийных контрольных агрегатов и т.п. Ежегодно в мире производится более полумиллиарда ГГ, очень широка их номен­клатура, достигающая нескольких тысяч моделей, сильно отличающихся по своим параметрам, например, по входной электрической мощности от 0,1 до 1000 Вт, по диаметру диффузора от 25 до 500 мм и т.д.

Рис.1.1.Функционально-системная структура громкоговорителя

Функционально-системная структура громкоговорителя представле­на на рис. 1.1. Она определяется последовательностью взаимосвязанных физических процессов, происходящих при преобразовании электриче­ского сигнала источника в акустический, т.е. представляет собой цепочку, выполняющую следующие преобразования:

(1.1)

Таким образом, функционально систему «громкоговоритель» мож­но разделить на следующие звенья (подсистемы):

• электрическое;

• электромеханическое (преобразователь — двигатель);

• акустико-механическое (или, по направлению, механоакустическое);

• акустическое (излучающая антенна).

Электрическое звено выполняет функцию согласования электриче­ского входа преобразователя (с комплексным входным сопротивлением Z_c) с выходным сопротивлением усилителя мощности R_i. Применение глубокой отрицательной обратной связи в современных усилителях поз­воляет обеспечить малое значение R_i, поэтому в дальнейшем можно считать, что ток определяется практически величиной Z_c, т.е.

(1.2)

Электромеханическое звено (преобразователь) используется в гром­коговорителях в режиме двигателя, создает на выходе механическую си­лу F. В заторможенном режиме (z_H = ), эта сила

(1.3)

где К_эм — коэффициент электромеханической связи.

Акустико-механическая подсистема громкоговорителя выполняет функцию согласования частотных зависимостей активной компоненты сопротивления излучения г_и и собственного механического импеданса громкоговорителя z_c.

Колебательную скорость ξ можно вычислить как

(1.4)

где z = z_c + z_и (как правило, z_c z_и, поэтому можно считать z_c = z).

Акустическая подсистема представляет собой излучающую антенну, формирующую сопротивление излучения системы в целом.

Акустическую мощность излучателя можно представить как

(1.5)

где ρ — плотность воздуха; ν — скорость звука; S — эффективная площадь излучателя; г'_и — нормированное сопротивление излучения.

Вначале определим приведенный коэффициент полезного действия (КПД) громкоговорителя, иначе называемый коэффициентом электро­акустической отдачи, как отношение излучаемой активной части аку­стической мощности W_a к полной подводимой электрической мощно­сти W_э, т.е.

(1.6)

Воспользовавшись для определения колебательной скорости формулой (1.4), а для опре­деления F — (1.3) и подставив эти значения в (1.6), получим для КПД излучателя выражение

(1.7)

где Z_вн — модуль внесенного электрического сопротивления. Кроме приведенного КПД, для оценки электроакустической отда­чи излучателя используют понятие электроакустического КПД, под ко­торым понимают отношение излучаемой акустической мощности W_a к активной составляющей подводимой электрической мощности W_э, т.е.

(1.8)

Задача оптимизации параметров вышеназванных подсистем может быть сформулирована двояко. С одной стороны, это получение макси­мальной мощности излучения звука в определенном диапазоне частот при постоянстве подаваемой электрической мощности и при заданных параметрах, с другой — это получение звукового давления на оси гром­коговорителя и в определенном пространственном угле в заданном диа­пазоне частот при постоянстве подводимого электрического напряже­ния и заданных параметрах.

Во многом эти задачи схожи и взаимосвязаны, однако не вполне эк­вивалентны. На наш взгляд, второй подход более продуктивен по край­ней мере по двум причинам: во-первых, восприятие звука обусловлено звуковым давлением, а не энергетическими характеристиками излучате­ля; во-вторых, практические испытания громкоговорителей производят­ся при постоянстве напряжения на его входе. Поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться второго подхода.

Для перехода от акустической мощности W_а к осевому звуковому давлению р(Ѳ = 0°) воспользуемся известными соотношениями, связывающими интенсивность звука J(Ѳ = 0°) на расстоянии X по оси излучателя с W_а и интенсивность со звуковым давлением:

(1.9)

(1.10)

где Ω— коэффициент осевой концентрации. Подставив в левую часть (1.9) выражение (1.10), а в правую выражение (1.5) для W_a. Получим

Решая полученное соотношение относительно р(Ѳ = 0°), подставляя последовательно значения для ξ (1.4), F (1.3) и i (1.2), получим

(1.11)

Разделив обе части (1.11) на u, а также раскрывая S = а², где а — эквивалентный радиус излучателя, получим для частотной харак­теристики осевого давления E_о произвольного громкоговорителя сле­дующее выражение:

(1.12)

Амплитудно-частотная характеристика звукового давления конкрет­ного громкоговорителя зависит от целого ряда факторов:

• типа электромеханического преобразователя (К_эм);

• волновых размеров излучателя (а, г'_и,Ω);

• типа акустического оформления (г'_и);

• частотного характера полного механического z и входного электри­ческого импеданса Z_c.

Характеристическая чувстви­тельность (ХЧ) — среднее звуковое давление, развиваемое ГГ в заданном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра ГГ при подведении электрической мощности 1 Вт. Так как непосредственное измерение КПД (см. форму­лы (1.6)-(1.8)) весьма затруднительно, то ХЧ Е_хч, Па/Вт^1/2, служит в настоящее время основной мерой эффективности работы громкоговори­теля. В технической документации часто приводится не ХЧ, а ее уровень в децибелах

Электродинамический ГГ прямого излучения, устройство головки, магнитные системы , разновидности, конструкции, применяемые магнитные материалы и их характеристики. Виды диафрагм и акустических оформлений.основное условие равномерности АЧХ532

Состоит из 2х основных узлов: подвижной(1-5) и магнитной(6-9)систем.

Подвижная система состоит из звуковой катушки 1, на которую подается напряжение звуковой частоты, скрепленной с ней конической диафрагмы 2(диффузора), гибкого подвеса, состоящего из центрирующей шайбы 3 (у вершины диффузора) и гофра 4(по внешнему краю диффузора). Роль подвеса заключается в обеспечении колебаний подвижной системы с большой амплитудой в осевом направлении при исключении возможности поворотных колебаний диффузора, приводящих к касанию звуковой катушки о металлические детали магнитной цепи.

Вершину конуса закрывают куполообразным колпачком 5, защищающим зазор магнитной цепи от пыли и частиц металла, а также придающим системе большую жесткость. Звуковая катушка головки наматывается достаточно толстым проводом из меди или алюминия на тонкий цилиндрический каркас из картона, теплостойких полимеров или немагнитного металла. Обычно намотка катушки двухслойная.

Магнитная цепь состоит из постоянного магнита 6(чаще кольцевого), керна 7, верхнего 8 и нижнего фланцев 9. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом из магнитотвердого материала, с помощью остальных деталей магнитной цепи, изготовляемых из магнитомягких материалов(то есть обладающих малым магнитным сопротивлением) направляется в воздушный зазор. Этот зазор образуется между керном 7 и верхним фланцем 8, он имеет форму цилиндрической щели, где создается сильное постоянное магнитное поле радиального направления. В зазор и помещается звуковая катушка.

Объединение подвижной и магнитной систем осуществляется с помощью металлического диффузородержателя 10, который крепится к переднему фланцу МЦ и к которому, приклеиваются внешние края гофра и центрирующей шайбы. В корпусе диффузородержателя имеются широкие отверстия 11. Препятствующие образованию малого замкнутого объема с тыльной стороны диффузора.

Взаимодействие переменного магнитного поля, создаваемого током в звуковой катушке, с постоянным магнитным полем в зазоре вызывает колебания звуковой катушки совместно с диффузором, в результате чего происходит излучение звуковой волны.

Акустическое оформление:

Плоский экран - наиболее простой вид оформления, но наименее применяемый. Даже при сравнительно небольших его размерах воспроизведение низких частот значительно улучшается. Вместе с тем в области средних, и особенно высоких, частот экран уже не оказывает существенного влияния. В чистом виде плоский экран применяется крайне редко, ввиду несовершенного эстетического оформления. Одним из вариантов использования плоских экранов в качестве акустических систем является установка головок громкоговорителей в отверстие в стене комнаты, т. е. стена является плоским экраном.

Рекомендации по конструктивному исполнению АС в виде плоского экрана:

- экраном должна служить толстая доска или фанера толщиной 10...20 мм;

- форма экрана - квадратная или лучше прямоугольная (с соотношением ширины к высоте 2:1...3:1);

- размещение ГГ для прямоугольного экрана - в центре, для квадратного - некоторое смещение места установки ГГ от центра улучшает частотную характеристику, хотя и снижает звуковое давление;

- отверстие вырезается по диаметру диффузородержателя ГГ;

- передняя плоскость диффузородержателя (обычно поверхность картонных секторов) должна быть заподлицо с передней панелью экрана, в противном случае перед ГГ образуется цилиндрическое углубление (род короткой трубы), столб воздуха, находящийся в нем, может резонировать на различных частотах и тем самым ухудшать частотную характеристику;

- во избежание повреждения диффузора и попадания пыли на его поверхность рекомендуется спереди закрывать ГГ какой-либо радиотканью, а сзади надевать "юбочку", например из бязи, при этом необходимо обратить внимание, чтобы ткань была натянута, иначе она будет резонировать.

Открытый корпус - ящик, у которого задняя стенка или полностью отсутствует, или же имеет ряд сквозных отверстий (например, из перфорированного картона, пластмассовая со щелями или отверстиями и т. д.). ГГ обычно устанавливаются на передней стенке корпуса. В АС в виде открытого корпуса внутренний объем, как правило, используется для размещения деталей электрической схемы (радиоприемника, телевизора и т. п.).

Наибольшее влияние на частотную характеристику АС с открытым корпусом оказывают передняя стенка (на которой смонтированы ГГ) и ее размеры. Боковые стенки влияют на характеристику АС мало. Таким образом важен не внутренний объем, а площадь передней стенки. Оформление АС открытого типа может быть различным, но следует учитывать большое влияние формы на нерав-номерность частотной характеристики на средних частотах.

Корпус с пассивным излучателем - применяется довольно широко. В конструкции корпуса АС с таким видом оформления вместо отверстия или трубки используется пассивный излучатель, представляющий собой ГГ с по-движной системой без магнитной цепи и звуковой катушки. Пассивный излучатель позволяет увеличить уровень звукового давления за счет использования тылового излучения, особенно в области частоты резонанса системы, образуемой за счет массы подвижной системы излучателя, гибкости его подвеса и содержащегося в корпусе воздуха.

Разновидностью акустического оформления АС типа "фазоинвертор" являются акустические системы с пассивным излучателем (называемые также системами с "пассивным радиатором"). В акустических системах этого типа для повышения уровня звукового давления на низких частотах используется пассивный излучатель, представляющий собой часть низкочастотного громкоговорителя без звуковой катушки и магнитной системы.

Принцип действия этого излучателя подобен работе фазоинвертора, так как он также производит инверсию фазы излучения звуковой волны от тыльной стороны диффузора. Путем изменения массы диффузора частота резонанса пассивного излучателя настраивается на нижнюю рабочую частоту низкочастотного громкоговорителя. Ну, а дальше вес очень просто: звуковая волна от пассивного излучателя суммируется с излучаемой низкочастотным громкоговорителем звуковой волной, что существенно повышает уровень звукового давления акустической системы на нижних частотах. Что и требовалось доказать.

Системы с фазоинвертором. Внешне акустические системы этого типа отличаются от закрытых акустических систем наличием у них на передней (или задней) стенке выходного отверстия (порта) фазоинвертора, соединяющего внутренний объем акустической системы с внешним миром.

Таким образом, фазоинвертор - это сочетание геометрических размеров внутреннего объема и трубы, обеспечивающее заданную резонанснуючастоту системы. Зачем это сделано и что это дает? Оказывается, столь простое конструктивное решение ("дырка от бублика") позволяет существенно понизить нижнюю граничную частоту акустической системы и заметно увеличить уровень ее звукового давления на низких частотах. Фазоинвертор - устройство, преобразующее входной сигнал в два сигнала, сдвинутых по фазе на 180°.

В акустике фазоинвертор - это труба в корпусе акустической системы, обеспечивающая расширение НЧ-диапазона за счёт резонанса этой трубы на частоте ниже воспроизводимой громкоговорителем.

Механизм работы фазоинвертора заключается в том, что специально рассчитанный акустический резонатор-фазоинвертор производит инверсию (переворот) фазы звуковой волны, излучаемой тыльной стороной диффузора. Эта перевернутая звуковая волна с выхода фазоинвертора суммируется со звуковой волной от фронтальной поверхности диффузора, что и приводит к существенному увеличению уровня звукового давления громкоговорителя на частоте настройки фазоинвертора. Достоинства этого типа акустического оформления хорошо известны, недаром сегодня по крайней мере 9 из 10 акустических систем, выпускаемых в мире, имеют фазоинвертор.

Судите сами: при равных размерах корпуса закрытой и фазоинверсной АС акустические системы с фазоинвертором имеют в 1,26 раза меньшую нижнюю граничную частоту при равном КПД для обоих типов систем. Если же сконструировать оба типа АС так, чтобы у них были одинаковые размеры корпуса и равные нижние граничные частоты, то акустическая система с фазоинвертором будет иметь на 3 дБ больший КПД, чем конкурирующая "закрытая" акустическая система.Наконец при одинаковых КПД и нижней граничной частоте акустическая система с фазоинвертором будет иметь существенно меньшие размеры по сравнению с АС закрытого типа. Однако справедливости ради стоит отметить, что за все хорошее в жизни надо платить, и акустические системы фазоинверторного типа не являются в этом смысле исключением. Расплатой за вышеупомянутые преимущества этого типа акустического оформления являются ухудшение (по сравнению с АС закрытого типа) переходных характеристик и усложнение согласования АС с усилителем. Фазоинвертор "живет" своей жизнью, время нарастания фронта звукового сигнала и длительность затухания его свободных колебаний определяется только акустической добротностью фазоинвертора. Субъективно это проявляется, например, в "бухающем" звуке большого барабана, глухом звуке литавр, в размытости щипка струны контрабаса и т.д.

Однако в массовых моделях акустических систем преимущества от применения фазоинвертора перевешивают его недостатки, так как существенно улучшают глубину звучания басов. Поэтому сегодня акустические системы этого типа составляют львиную долю выпуска в производственных программах ведущих мировых "акустических" фирм Остается добавить, что в акустических системах обычно имеется один порт фазоинвертора, хотя могут быть и двухпортовые, и трехпортовые фазоинверторы.

Кроме рассмотренных выше, существуют и другие типы акустического оформления АС, которые, однако, распространены существенно меньше. Английская фирма TDL Electronics, например, является верной поклонницей АС с акустическим оформлением типа "лабиринт". Задняя сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок зигзагообразный звуковод - лабиринт, длину которого выбирают равной примерно половине длины волны на нижней граничной частоте системы. Благодаря этому излучение из выходного отверстия лабиринта будет совпадать с акустическими колебаниями от передней стороны диффузора головки.

Диафрагмы:

-в виде диффузора-конические(как правило используются в НЧ и СЧ)

-сферические(применяются в МФ и ГТ,подвижная система как у МФ)

-плоские системы(хороши тем что продливают поршневой режим,используются при оформлении небольших залов,в сотовых телефонах)

Основные условия равномерности АЧХ:

Система должна управляться массой и волновые размеры КА<1,где К-волновое число,А-радиус диффузора.

Магнитная система (МС) является обязательным узлом любого электроакустического аппарата динамического типа. Как известно, наиболее распространенной и широко используемой являются конструкции электродинамического преобразователя катушечного типа. Звуковая катушка (ЗК) для выполнения своего назначения должна находиться в сильном магнитном поле.

Главным элементом МС является постоянный магнит 1 кернового (на рис 2.4 в форме цилиндра) или кольцевого типа (см. рис 2.5). В микрофонах практически всегда применяют магниты центрального типа, в силу ограничения поперечных размеров капсюля а также других конструктивных ограничений, в головных телефонах и головках громкоговорителей встречаются оба типа магнитов. Эти виды магнитов, соответственно, показаны на рис 2.6 (а, б) в виде отдельной детали, первый – цилиндра высотой h_м и диаметром D _м (рис. а), второй – цилиндрического кольца высотой h_м и диаметром D _м1 и D _м2 (рис. б). В

дальнейшем будем считать поверхность верхнего торца северным полюсом N, а нижнего южным полюсом S магнита (см. рис. 2.6).

Назначением магнитов является создание постоянного магнитного потока Φ, который с наименьшими потерями должен быть доставлен в воздушный зазор магнитной цепи.

Остальные детали МС, составляют в совокупности так называемый магнитопровод, который состоит из керна или иначе полюсного наконечника 2, верхнего 3 и нижнего 4 фланцев, боковых стенок 5. Их изготавливают из магнитомягкой стали. Магнитопровод нужен для направления магнитного потока, создаваемого магнитом 1 в кольцевой воздушный зазор между керном и верхним фланцем (шириной δ), в который помещают ЗК.

Отметим, что в отличие от кернового магнита (см. рис 2.4,в), в кольцевом путь магнитного потока начинается с периферии МС: выйдя из верхнего торца магнитного кольцевого цилиндра, поток сходится к зазору, пересекает его, по керну идет вниз и, расходясь по нижнему фланцу, входит в южный полюс магнита.

Постоянные магниты изготавливают из специальных материалов, способных удерживать постоянное магнитное поле и называемых магнитотвердыми.

В настоящее время для изготовления магнитов используют несколько типов магнитных материалов:

- специальные магнито-твердые сплавы металлов - железа, никеля, кобальта (Fe-Ni-Co) с добавками металлов – ниобия, алюминия, магния меди, хрома и других;

- оксидно-бариевые порошковые смеси, которые изготовляются из смеси оксидов бария или стронция и железа (BaO-Fe₂O₃; SrO- Fe₂O₃) прессуются либо из сухого порошка в обычных пресс-формах (изотропные), либо водной суспензии этих порошков при воздействии сильного ориентирующего магнитного поля (анизотропные магниты);

- редкоземельные материалы, спеченные из порошка на основе сплавов неодима с железом и бором (Nd–Fe–B), иначе называемые неомаксом или неодимовыми магнитами.

Для краткости первые будем называть феррокобальтовыми магнитами (ФКМ), вторые – оксидно-бариевыми (ОБМ), третьи – неодимовыми. Отечественные магнитные сплавы выпускаются в соответствии с государственными стандартами со следующими условными обозначениями для металлов: Ю – алюминий, Н – никель, К – кобальт, Д – медь, Т – титан, Б- ниобий. В ОБМ приняты следующие обозначения: Б – бариевый, Р – редкоземельный, А – анизотропный, И – изотропный. Цифра перед буквенным обозначением феррита означает магнитную энергию в кДж/м³ , после букв – коэрцитивную силу материала в кА/м.

Магнитомягкие материалы. Что касается материалов из которых изготовляют детали магнитопровода, то к ним предъявляют совершенно иные требования. Так, желательно, чтобы петля гистерезиса этих материалов была как можно уже, а в идеале – гистерезис вообще отсутствовал, т.е. они должны иметь высокую магнитную проницаемость, прямолинейный начальный участок кривой намагничивания и высокое значение индукции насыщения. Поэтому качество таких материалов оценивается величиной индукции насыщения материала B_к

( низкоуглеродистой стали и железа армко, пермендюр)

18.входное электрическое сопротивление ГГ , его частотная зависимость, механический и электромеханический резонансы, влияние его на отдачу в области ВЧ

541