3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ

Конструкция и принцип действия электродинамической головки. Устройство электродинамической головки схематически изображено на рис. 145, а. Головка содержит конусообразную диафрагму (диффузор) 1, которая крепится к корпусу головки при помощи верхнего гофрированного кольца 2 и центрирующей шайбы 3. Коническая форма диафрагмы повышает ее жесткость, и поэтому на низких частотах она работает как единое целое, т. е. как поршень. В сечение диафрагма может иметь форму круга либо эллипса. У основания диафрагмы имеется звуковая катушка 4, Нижнее отверстие диафрагмы часто закрывают выпуклым колпачком 9, что увеличивает рабочую поверхность диафрагмы. Звуковая

 

 

катушка 4 помещена в кольцеобразный зазор с радиальным магнитным полем. Это поле создается постоянным магнитом 6 и магнитной цепью, содержащей два (5 и 7) фланца и центральный стержень 8.

Подвижная система электродинамической головки образует механическую колебательную систему (рис. 145, б), для которой приняты следующие обозначения: т₀ — масса всей подвижной системы; С₀ — гибкость подвеса диафрагмы (диффузора), которая определяется в основном гибкостью центрирующей шайбы; r₀ — активное сопротивление потерь, обусловленное главным образом внутренним трением в системе подвеса диффузора; m_R — соколеблющаяся масса воздуха; r_R — сопротивление излучения.

Принцип действия головки состоит в следующем. При протекании тока I по звуковой катушке на нее действует электродинамическая сила F, величина которой определяется выражением F — BlI, где l — длина провода звуковой катушки; В — индукция в зазоре. Эта сила, изменяясь во времени синхронно с током, вызывает соответствующие колебания диффузора, который при этом излучает звуковую энергию.

Механическое сопротивление и сопротивление излучения. Полное механическое сопротивление (г) подвижной системы головки громкоговорителя определяется как отношение силы F к колебательной скорости v подвижной системы и может быть представлено в виде суммы z = z₀ + z_R, где z₀ = r₀ + iωm₀ + 1/IωС₀ — собственное механическое сопротивление; z_r = r_R + iωtn_R — сопротивление излучения подвижной системы. Таким образом, z = r+iωm+1/iωC₀, где r = r₀ + r_R; т = т₀ + m_R.

 

 

 

Частота основного резонанса подвижной системы головки

                                                     (10.3)

Эта частота является нижней границей полосы воспроизводимых частот.

Соколеблющаяся масса и сопротивление излучения существенно зависят от акустического оформления громкоговорителя. На рис. 146 показаны зависимости r’_R и x’_R от kR для трех идеализированных излучателей (круглый поршень); радиус поршня обозначен через R. Из графиков следует, что при kR < 1 для поршня в бесконечном экране:

 .                                              (10.4)

где S = πR².

Для поршня в закрытом ящике:

                                               (10.5)

Для поршня без акустического оформления (двусторонне излучающего поршня):

 .                                        (10.6)

При kR ≥ 1 сопротивление излучения для всех приведенных излучателей можно считать равным p₀cS. Следует иметь в виду, что в области низких частот реальная головка громкоговорителя, помещенная в закрытый ящик, имеет такие же зависимости r_R и х’_R, как и поршень, помещенный в ящик, а головку в открытом ящике можно рассматривать как двухсторонний поршень.

Частота механического резонанса громкоговорителя в закрытом ящике выше частоты резонанса его головки и определяется выражением

                                    

 

 

где С_в— гибкость воздушного объема (V) ящика: S_эф—эффективная площадь диффузора, которая составляет 50—58% его действительной площади. Для круглого диффузора диаметром D S_эф = 0,54πD²/4 = 0.42D².

Входное электрическое сопротивление громкоговорителя есть отношение напряжения к току, действующему на входе громкоговорителя. Входное сопротивление можно представить в виде: Z = Z₀+Z_K, где Z₀ = R₀+iωL₀— собственное сопротивление звуковой катушки (R₀ — омическое сопротивление катушки; L₀—ее индуктивность); Z_K = k²/z—вносимое (со стороны подвижной системы) сопротивление, определяемое коэффициентом электромеханической связи k = Bl и полным механическим сопротивлением. Таким образом,

                (10.8)

где R' = k²/r—внесенное активное сопротивление; С’ = m/k² — внесенная емкость; L’ = k²C₀ — внесенная индуктивность.

Эквивалентная схема электрического входного сопротивления громкоговорителя и частотная характеристика модуля этого сопротивления показаны на рис. 147. Максимум на частотной характеристике входного сопротивления обусловлен резонансом в параллельном контуре R', С’, L', поэтому частота резонанса в этом контуре совпадает с частотой механического резонанса подвижной системы громкоговорителя

На частоте f₀ модуль входного сопротивления громкоговорителя равен z_p = R_о + R' = R₀ + k²/r. С повышением частоты входное сопротивление уменьшается и на частоте f_эм ≈ 1/2π. достигает минимума. При этом  ׀Z׀_мин называется номинальным электрическим сопротивлением громкоговорителя. Частота f_эм называется частотой электромеханического резонанса (f_эм обусловлена резонансом в последовательном контуре, образованном индуктивностью L₀ и эквивалентной емкостью параллельного контура R', С’, L'). Увеличение входного сопротивления на частотах выше f_эм объясняется возрастанием индуктивного сопротивления звуковой катушки.

Полная и механическая добротности громкоговорителя. Добротность [47] является важным параметром подвижной системы громкоговорителя, от которой в значительной степени зависит форма частотной характеристики в области низких частот [47]. Механическая Q_м и полная Q добротности громкоговорителя определяются выражениями:

 

Если известна частотная характеристика модуля входного сопротивления громкоговорителя, то полную добротность можно определить по формуле

где ∆f = (f₂ — f₁)/2; f₁ и f₂ можно определить по рис. 147, б; они должны удовлетворять условию:

Коэффициент полезного действия громкоговорителя η = P_а/P. В свою очередь, акустическая мощность

и подводимая к громкоговорителю электрическая мощность

где U_m — амплитудное значение напряжения на входе громкоговорителя.

Поэтому

Нетрудно показать, что если в выражении (10.8) пренебречь ωL₀ по сравнению с R₀

(R₀ »ωL₀ до средних частот звукового диапазона), то

                                   (10.10)

где A=k²/rR₀;

В свою очередь, z = г (1 + iQ_My) и

lz|²₌₌r²(1₊Q²_My²).                                                                 (10.11)

На частоте механического резонанса у = 0 и | Z | = R₀ (1 + А),.а |z|²= r². После подстановки этих значений | Z | и | z |² в выражение (10,9) получим

                                       (10.12)

где из-за малости механических потерь на трение в системе подвеса по сравнению с сопротивлением излучения принято r ≈ r_R. Далее, выражая омическое сопротивление звуковой катушки через удельное сопротивление проводника звуковой катушки (δ), длину (l), сечение (q) и его объем (V), R₀=δl/q=δ²/V, получаем:

                                                              (10.13)

Для вычисления η_макс в формулу (10.13) необходимо подставить значения r, вычисленные (в зависимости от акустического оформления) по формулам (10.5) и (10.6). Для других частот η следует определять, используя формулы (10.9)—(10.11).

Анализируя выражения (10.9)— (10.12), сделаем вывод, что η громкоговорителя сильно зависит от частоты (на частотах выше и ниже f₀ резко уменьшается), а его максимальное

 

 

значение для реальных значений В b I редко превышает 1%. Следует отметить, что мощность, излучаемая громкоговорителем, работающим в режиме постоянства подводимого напряжения, не увеличивается на частоте механического резонанса, а, наоборот, падает. Объясняется это тем, что на этой частоте у громкоговорителя возрастает входное сопротивление и уменьшается электрическая мощность, потребляемая от усилителя.

Нелинейные искажения в громкоговорителях. Основными причинами нелинейных искажений в громкоговорителях являются нелинейная упругость системы подвеса и неоднородность магнитного поля в рабочем зазоре [40]. При больших амплитудах колебания диффузора упругие деформации в системе подвеса диффузора не пропорциональны деформирующей силе. Возникающие вследствие этого нелинейные искажения могут быть значительными и составлять 60—70% от общих нелинейных искажений громкоговорителя.

Неоднородность магнитного поля в рабочем зазоре определяет зависимость коэффициента электромеханической связи (КЭС) от положения звуковой катушки в рабочем зазоре. Зависимость магнитной индукции от координаты ξ, отсчитываемой в осевом направлении, и зависимость КЭС от координаты (ξ) подвижной системы громкоговорителя изображены на рис. 148. Зависимость КЭС от величины смещения подвижной системы громкоговорителя приводит к тому, что действующая на подвижную систему громкоговорителя сила зависит не только от тока, но и от смещения катушки: F= φ(I, ξ). Нелинейные искажения за счет неоднородности магнитного поля могут составлять 25—30%  от общих нелинейных искажений.

Нелинейные искажения растут с уменьшением частоты. Действительно если допустить, что громкоговоритель излучает одинаковую мощность на всех частотах, то с уменьшением частоты должна резко возрастать амплитуда смещения подвижной системы громкоговорителя, что и приводит к увеличению нелинейных искажений как за счет нелинейности системы подвеса, так и за счет неоднородности магнитного поля в зазоре. В области средних частот в громкоговорителях с прямолинейней образующей конуса диффузора могут возникнуть нелинейные искажения за счет параметрического возбуждения конуса [109].