Основные параметры громкоговорителей

Измерения основных параметров головок громкоговорителей производятся по стандартам ГОСТ16122-87 и IEC 268-5. В современных каталогах обычно указываются следующие параметры:

• эффективно воспроизводимый диапазон частот, Гц (Frequency range) определяется из измеренной взаглушенной камере амплитудно-частотной характеристики(АЧХ),т.е.зависимости уровня звукового давления от частоты;

• паспортная мощность, Вт (Rated Input Power) - мощность, при которой акустическая система может работать без повреждений в течение 100 часов на шумовом сигнале;

• максимальная кратковременная мощность, Вт (Max Input Power);

• характеристическая чувствительность, дБ/Вт/м (Sound Pressure Level) - уровень звукового давления при подводимой мощности 1 Вт на расстоянии 1м;

• номинальное сопротивление громкоговорителя, Ом (Nominal Impedance);

• рекомендуемая частота среза для фильтра, Гц (Recommended Crossover).

Для обеспечения расчетов параметров акустической системы с применением конкретного низкочастотного громкоговорителя обычно в каталогах указываются параметры Смолла-Тиле (Small-Thiele):

• резонансная частота громкоговорителя без оформления, Гц - (Free Air Resonance Frequency);

• общая добротность (Total Qts factor) - электрическая и механическая добротность;

• КПД,% (Relative Efficiency);

• максимально допустимое смещение звуковой катушки, мм (Maximum Linear Excursion).

Устройство

Рис.1 Основные элементы конструкции головки громкоговорителя

Основы устройства конусного (диффузорного) электродинамического громкоговорителя прямого излучения со звуковой катушкой показаны на рисунке 1. Громкоговоритель состоит из трех основных частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя. В свою очередь подвижная система включает в себя гофрированный подвес, диафрагму, центрирующую шайбу, пылезащитный колпачок, звуковую катушку и выводы. Магнитная цепь состоит из магнита (кольцевого или кернового), верхнего и нижнего фланцев и керна. В зависимости от назначения головки громкоговорителя конструкция и технология изготовления всех этих элементов различается очень значительно.

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.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.2).

Для удовлетворения этим требованиям при проектировании НЧ-громкоговорителей уделяется большое внимание конструктивной и технологической разработке всех его элементов: подвеса, шайбы, диффузора, пылезащитного колпачка, звуковой катушки, гибких выводов звуковой катушки, магнитной цепи и диффузородержателя.

Остановимся более подробно на конструктивных особенностях основных элементов НЧ-громкоговорителей.

Гофрированный гибкий подвес должен обеспечивать низкую резонансную частоту (иметь высокую гибкость), плоскопараллельный характер движения (т.е. отсутствие крутильных и других видов колебаний) всей подвижной системы в обе стороны от положения равновесия, вплоть до больших амплитуд смещений, и эффективное поглощение энергии собственных резонансных колебаний подвижной системы. Кроме того, подвес должен сохранять свою форму и свойства во времени и под воздействием климатических факторов внешней среды. С точки зрения конфигурации (формы профиля), значительно влияющей на все указанные свойства, наибольшее распространение имеют полутороидальные, синусоидальные и S-образные подвесы.

В качестве материалов для подвесов применяют натуральные резины, пенополиуретаны (поролон), прорезиненные ткани, натуральные и синтетические ткани со специальными демпфирующими покрытиями. Эти конфигурации и материалы позволяют получить удовлетворительную линейность упругих характеристик и требуемое, в зависимости от вида низкочастотного акустического оформления, значение гибкости подвеса. Например, для закрытых корпусов акустических систем компрессионного типа должны выбираться подвесы с гибкостью (в корпусе) Cподв/Своздуха >3.

Диафрагма (диффузор) предназначена для излучения звука при обеспечении поршневого характера колебаний (до возникновения собственных резонансных колебаний) в возможно более широком диапазоне частот. Эффективное демпфирование этих резонансов на тех частотах, где они появились, достигается выбором соответствующих конфигурации диафрагмы и материала, из которого она изготовлена.

Диафрагмы НЧ-динамиков, с целью повышения конструктивной жесткости, часто изготавливаются в виде криволинейных конусообразных фигур с образующей, меняющейся по радиусу или по гиперболе, или в виде дуг окружностей - одной или нескольких, плавно переходящих одна в другую. Иногда, для уменьшения амплитуд резонансных колебаний диафрагмы (в первую очередь с кольцевыми узловыми линиями), используют радиальные и кольцевые ребра жесткости на ее поверхности, или краевое ребро по наружному краю.

В настоящее время диафрагмы низкочастотных динамиков изготавливаются из различных сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками, повышающими ее прочность, жесткость и демпфирующие свойства, например, волокна шерсти, льна, углестекловолокна, графитовые чешуйки, металлические волокна, влагозащитные и демпфирующие пропитки. О степени сложности таких композиций можно судить по тому, что в них используется до 10-15 составляющих.

Однако, наряду с композициями из натуральных целлюлоз, многими фирмами для диафрагм громкоговорителей применялись и применяются различные композиционные материалы, как правило, разработанные ранее для аэрокосмической и военной техники. К таким материалам можно отнести: многослойные сотовые и вспененные металлы и др.

В настоящее время для диафрагм все шире применяются синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) (их используют в своих динамиках фирмы Jamo, КЕF, Cabasse, Таnnоу и др.) и композиционные материалы на основе высокомодульной ткани "кевлар" (фирмы В&W, Audix и т.д.) Применение таких диафрагм позволяет обеспечить в лучших моделях громкоговорителей гладкие АЧХ до 1500...2500 Гц, что почти на две октавы выше частот раздела, обычно используемых в трехполосных акустических системах (400...600 Гц). Это дает возможность существенно снизить влияние НЧ-динамиков на звучание акустических систем в области средних частот.

Пылезащитный колпачок играет существенную роль в НЧ-громкоговорителе, поэтому тщательно выбирается его конфигурация и материал. Колпачок, выполняя функцию защиты рабочего зазора магнитной цепи от попадания пыли, является также кольцевым ребром жесткости. Кроме того, колпачок является излучающим элементом, вносящим свой вклад в формирование АЧХ громкоговорителя, особенно в верхней части его диапазона. Колпачки, для обеспечения конструктивной жесткости, изготавливаются, как правило, куполообразной формы с различными радиусами кривизны. В качестве материала используют композиты целлюлозы, синтетические пленки, ткани с пропитками. В мощных НЧ-громкоговорителях иногда применяют колпачки из металлической (алюминиевой) фольги, что позволяет использовать их и как дополнительный элемент отвода тепла от звуковой катушки.

Центрирующие шайбы предназначены для удержания звуковой катушки точно в центре магнитного зазора. Требования к конструкции и материалам центрирующих шайб НЧ-громкоговорителей высококачественных акустических систем также .чрезвычайно высоки: они должны обеспечивать стабильность резонансной частоты в условиях больших динамических и температурных нагрузок, линейность упругих характеристик при больших смещениях подвижной системы, предотвращать смещения звуковой катушки в радиальном направлении и "провисание" подвижной системы и т.д. Обычно в НЧ-громкоговорителях используются плоские или "мостиковые" (рис. 1) центрирующие шайбы с синусоидальной гофрировкой (число гофр варьируется от 5 до 11). Однако, в некоторых моделях встречаются шайбы более сложных конфигураций, (например, тангенциальные), обеспечивающие большую линейность упругих характеристик, стабильность формы и т. п.

В качестве материалов для шайб применяют натуральные ткани (типа миткаля, бязи и т.п.), пропитанные бакелитовым лаком, синтетические ткани на основе полиамидов, полиэстера, нейлона и др. В некоторых динамиках применяются шайбы, в материал которых вплетаются металлические (алюминиевые, медные) нити, обеспечивающие повышенный теплоотвод от теплопроводящего каркаса звуковой катушки к массивному металлическому диффузородержателю.

Звуковые катушки - важнейшая часть громкоговорителя. Конструкции звуковых катушек НЧ-громкоговорителей разрабатываются с учетом необходимости рассеивания значительного количества тепла, выделяющегося в них при работе динамиков от мощных усилителей (100 Вт и более). Расчеты и опыт разработок позволили установить количественную связь между диаметром катушки и рассеиваемой ею тепловой энергией. Так, например, звуковые катушки диаметром 25 мм способны без применения особо термостойких и теплоотводящих материалов выдерживать долговременную электрическую мощность до 25 Вт, а катушки диаметром 50 мм - до 100 Вт.

С целью увеличения термической прочности звуковых катушек применяются как теплостойкие материалы (клеи, изоляция проводов, каркасы), так и различные конструктивные меры для более эффективного отвода выделяющегося тепла в окружающую среду. К ним относятся вентиляционные отверстия в каркасах катушек и магнитных цепях, улучшающие циркуляцию воздуха в зоне расположения звуковой катушки, тепловые трубки, теплопроводящие каркасы, и даже полупроводниковые холодильники.

Для снижения нелинейных гармонических искажений, возникающих в громкоговорителях, в частности, за счет нелинейности и несимметричности магнитного поля в магнитной цепи, часто применяются звуковые катушки с длиной намотки, в 2...2,5 раза превышающей высоту рабочего зазора магнитной цепи (длину верхнего фланца цепи). Число применяемых слоев намотки звуковой катушки обычно равно двум, хотя встречаются катушки с четырьмя слоями.

В современных динамиках применяют провода для намотки звуковых катушек, различные по форме сечения: традиционные круглые, квадратные и плоские. Последние две формы обеспечивают более высокую плотность заполнения рабочего зазора проводом, что повышает эффективность громкоговорителя .

Магнитные цепи обычно состоят из магнита, керна, нижнего и верхнего фланцев.

Для магнитных цепей высококачественных громкоговорителей характерно применение различных конструктивных решений для снижения нелинейных искажений, возникающих за счет несимметричности и неоднородности магнитного поля в рабочем зазоре.

Это керны Т-образной формы, симметрирующие магнитное поле за пределами рабочего зазора;

• фланцы и керны с многослойными вставками, уменьшающими влияние переменного магнитного поля от звуковой катушки на постоянное магнитное поле цепи;

• "короткозамкнутые витки" - колпачки или кольца на керне и на внутренней поверхности верхнего фланца;

• специальные профили рабочего зазора, уменьшающие неоднородность магнитного поля и т. п.

Кроме того, для снижения гармонических искажений за счет сжатий подколпачкового объема при больших смещениях подвижной системы, используют керны с вентиляционными отверстиями - большая часть воздуха выходит из под колпачка, минуя рабочий зазор. Ранее эти отверстия делались в центре керна, но теперь появились модели НЧ-громкоговорителей, в которых отверстия стали использоваться для направления значительных воздушных потоков, возникающих в зазоре, непосредственно через рабочий зазор - по желобам вокруг звуковой катушки, что значительно снижает температуру ее нагрева.

Рис.3 Громкоговоритель с магнитной жидкостью

В последние годы в современных низкочастотных громкоговорителях для отвода тепла и повышения демпфирования звуковой катушки начали широко использоваться специальные ферромагнитные жидкости. Они были созданы в начале 90-х, однако применялись только в высокочастотных громкоговорителях, так как при больших зазорах в НЧ-громкоговорителях не удавалось предотвратить их вытекание. Сейчас целый ряд фирм выпускает НЧ-громкоговорители с зазором, заполненным ферромагнитной жидкостью (рис.3).

Рис.4 Структура магнитной жидкости

Ферромагнитная жидкость представляет собой вязкую суспензию, в которой находятся магнитные частицы (рис.4). При заполнении зазора жидкостью положение этих частиц симметрируется в направлении силовых линий постоянного магнитного поля ,что позволяет удерживать жидкость в зазоре, не давая ей вытекать. Поскольку магнитная жидкость имеет теплопроводность почти в пять раз большую, чем воздух, это позволяет быстрее отводить тепло от катушки, и соответственно увеличить подводимую мощность к громкоговорителю. Кроме того, наличие жидкости в зазоре увеличивает механическое демпфирование движения катушки, что уменьшает искажения, особенно эффект температурной компрессии мощности.

В качестве магнитных материалов в современных моделях в НЧ-громкоговорителей, помимо традиционных феррит-бария (в виде колец различной толщины и диаметров) или более дорогих кобальтосодержащих сплавов, применяется новый высокоэффективный магнитотвердый материал на основе сплава неодим-железо-бор Ма-Fе-В (отечественное название таких сплавов - "неомакс"), который начал использоваться в конце 80-х - начале 90-х годов.

Этот сплав обладает магнитной энергией 30…35 МгсЭ, что на порядок выше чем у обычных магнитов (2,5…3,2 МгсЭ). Это позволяет конструировать магнитные цепи, обеспечивающие требуемую магнитную индукцию в зазоре при значительно меньших габаритах и весе самого магнита. Все большее количество акустических систем, выпускаемых для применения совместно с телевидеоаппаратурой (например, для систем "домашний кинотеатр"), требует применения НЧ-громкоговорителей с надежным экранированием магнитных полей рассеивания. Экранирование должно быть особенно эффективными для НЧ-громкоговорителей, применяемых в системах центрального и фронтальных каналов, а также для низкочастотных блоков (subwoofer), располагаемых вблизи телевизионных приемников. Для снижения полей рассеивания или вся магнитная цепь помещается в экранирующий стакан из металла, или позади основного магнита дополнительно устанавливают второй магнит, имеющий противоположную намагниченность, что фокусирует поля рассеивания в рабочий зазор магнитной цепи.

В целом узел "магнитная цепь - звуковая катушка" проектируется таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение КПД громкоговорителя и снижение уровня его нелинейных искажений.

Диффузородержатель наши инженеры иногда называют полужаргонно "корзиной", хотя в английском basket для этого элемента конструкции - название официальное. Существенное значение для НЧ-громкоговорителя имеет жесткость и прочность диффузородержателя. Диффузородержатель служит для поддержания и соединения элементов подвижной системы и магнитной цепи, а также для закрепления громкоговорителя в корпусе. Его конструкция должна обеспечивать не только устойчивость громкоговорителя к механическим воздействиям (ударам, тряске), не допуская смещения массивной магнитной цепи от оси симметрии громкоговорителя, но и, по возможности, устранять резонансы самого держателя, которые могут иметь место в области рабочих частот НЧ-громкоговорителя (200...600 Гц).

Как правило, диффузородержатели изготавливают из алюминиевых сплавов литьем под давлением, при этом для снижения массы их делают сравнительно тонкими, но с ребрами жесткости. Для НЧ-громкоговорителя небольшой мощности и с небольшими магнитными цепями диффузородержатели могут изготавливаться из стального листа толщиной 0,8...1,5 мм методом штамповки. Кроме этого, конструкция диффузородержателя должна обеспечить достаточный размер "окон" между ребрами с целью предотвращения появления "воздушной подушки" позади диффузора.

Гибкие выводы, обеспечивающие подведение электрических сигналов от клемм к звуковой катушке, являются одним из наименее надежных элементов громкоговорителя. Клеммы, как правило, закрепляются через изолирующие прокладки прямо на диффузородержателе или на специальной планке. Контактные выводы громкоговорителя, помимо воздействий больших электрических токов, непрерывно испытывают значительные переменные механические нагрузки. При этом их гибкость должна превышать гибкость подвеса и центрирующей шайбы, чтобы не влиять на резонанс громкоговорителя. Кроме того, гибкие выводы могут являться источником призвуков. Поэтому выбору материалов для них и конструкции крепления к клеммам и диффузору уделяется серьезное внимание.

В качестве материалов для выводов применяются многожильные провода из тонких медных или серебряных нитей, в которые вплетаются основы - хлопчатобумажные или синтетические нити. Типы плетений нитей в этих проводах могут быть самыми разнообразными. Способы крепления гибких выводов к диффузору применяют также различные: от пришивания нитками до подпайки к металлическим заклепкам на диффузоре. Места соприкосновения с диффузором заливают различными вибродемпфирующими материалами, например, натуральными латексами. Места пайки гибких выводов к клеммам, во избежании обламывания, как правило, стараются защитить с помощью амортизаторов различных конструкций.