Громкоговоритель
Материал из МагВики::Справочник по автозвуку и электронике
Громкоговоритель - электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования электрического сигнала звуковой частоты в акустический (звуковой).
По способу преобразования электрической энергии в звуковые волны можно выделить электродинамические, электростатические, пьезоэлектрические и ионно-плазменные излучатели. Для всех типов, кроме последнего, характерно наличие подвижной излучающей по верхности –диффузора или мембраны.
Электродинамические громкоговорители разделяются по электроакустическим, конструктивным и эксплуатационным признакам. К первым относятся: полоса воспроизводимых частот ( высокочастотные , среднечастотные ,низкочастотные и широкополосные громкоговорители), номинальная электрическая мощность, активное сопротивление звуковой катушки (низкоомные или высокоомные громкоговорители).
К конструктивным признакам относятся: устройство подвижной системы (один диффузор или несколько) , одна звуковая катушка или две, устройство магнитной системы, форма диффузора — круглая или овальная.
По связи с окружающим пространством головки делятся на рупорные и прямого излучения. Рупор обеспечивает акустическое усиление и является разновидностью акустического оформления.Он может применяться с любыми типами излучателей, но как встроенный в головку элемент конструкции используется только в высокочастотных и, гораздо реже, в среднечастотных излучателях.
Из всех известных на сегодняшний день видов акустических преобразователей в автомобильных аудиосистемах массовое применение нашли динамические головки прямого излучения и пьезокерамические СЧ и ВЧ излучатели ( прямого излучения и рупорные).
Содержание |
Электродинамический громкоговоритель
Принцип действия
Принцип его работы основан на взаимодействии проводника с током и постоянного магнитного поля. Схематически этот принцип, относящийся к любой электродинамической системе, показан на рис. 2 и заключается в следующем. Если в магнитное поле, образованное полюсами магнита, помещен проводник, по которому проходит постоянный электрический ток, то на проводник будет действовать механическая сила, называемая электродинамической. Эта сила стремится вытолкнуть проводник из зоны действия магнитного поля в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля и направлению тока (правило "левой руки"). В том случае если ток, протекающий по проводнику, будет переменным, то сила, выталкивающая проводник, будет изменять свое направление с частотой переменного тока и проводник будет совершать колебания в магнитном поле с той же частотой. В электродинамическом громкоговорителе магнитное поле сосредоточено в кольцевом зазоре, а проводник намотан на цилиндрическом каркасе в виде звуковой катушки. Сила взаимодействия переменного тока, протекающего по звуковой катушке, и магнитного поля приводит в аксиальное(осевое) колебательное движение катушку и жестко соединенный с нею диффузор (конус). Количественно эта сила (F) пропорциональна магнитной индукции в кольцевом зазоре (В, вб/м2; 1 вб/м2 = 104 гс), длине проводника звуковой катушки (l, м) и силе тока (I, а), т. е. 
.
Устройство
Основная резонансная частота подвижной системы (частота механического резонанса громкоговорителя) зависит от ее массы и гибкости (упругости): чем больше масса и больше гибкость, тем ниже резонансная частота. Гибкость подвижной системы определяется гибкостями центрирующей шайбы и подвеса диффузора; гибкость подвеса диффузора обычно больше, чем гибкость центрирующей шайбы. Масса подвижной системы в основном складывается из масс звуковой катушки, диффузора и соколеблющейся с диффузором (присоединенной) массы воздуха. При воспроизведении сигнала с частотой, близкой или равной частоте основного резонанса подвижной системы громкоговорителя, и неизменном токе в звуковой катушке амплитуда колебаний диффузора увеличивается и повышается звуковое давление на этих частотах.
Для магнитопровода используют сталь (например, "армко"). Магнитопровод выполняют закрытым — в виде стакана (рис. 4, б) или открытым — в виде скобы (рис. 4, в). Вследствие трудностей изготовления магнитного керна с концом нужного диаметра и с минимальными допусками, на торцовую часть керна наклеивают круглую стальную пластинку. Ее толщина равна толщине переднего фланца. Пластинка и круглое отверстие фланца образуют кольцевой зазор. Керновые магниты позволяют создать магнитную систему громкоговорителя со значительно меньшим внешним магнитным полем рассеяния. Это очень важно для громкоговорителей, применяемых в телевизорах и радиоприемниках с внутренними магнитными антеннами; громкоговорители с кольцевыми магнитами там не могут использоваться. Наряду с магнитами из металлических сплавов широко применяются магниты, прессованные из ферритбария (марки 2БА и ЗБА). Они имеют вид сравнительно тонкой, но широкой шайбы для уменьшения магнитного сопротивления. Магнитная система в этом случае отличается мало .
Звуковую катушку наматывают медным или алюминиевым проводом на каркасе из плотных сортов бумаги (в маломощных громкоговорителях) или алюминия, меди, а также пластмассы (в мощных громкоговорителях). Число слоев всегда делается четным, чтобы выводы катушки были с одной стороны; чаще всего делаются два или четыре слоя. Благодаря хорошему отводу тепла допускается большая плотность тока в обмотке — от 30 до 90 а/мм2. Для скрепления обмотки с каркасом витки склеивают между собой и с каркасом лаком. Полное электрическое сопротивление звуковой катушки должно быть одним из следующих номиналов:2; 4; 6,5; 8; 12,5; 16; 30; 60 Ом. Выводы обмотки приклеивают к каркасу и диффузору, а их концы припаивают к пустотелым заклепкам или скобкам, установленным на диффузоре.
К последним припаивают также специальные гибкие и очень прочные проводники, которые другими концами присоединяются к выводным контактам громкоговорителя, установленным на диффузородержателе. С целью уменьшения нелинейных искажений высота звуковой катушки делается или меньше, или больше высоты кольцевого зазора. В обоих этих случаях катушка совершает осевые перемещения в неизменном по силе магнитном поле, т.е. сохраняется постоянным среднее значение индукции.
В конструкции некоторых низкочастотных громкоговорителях применяют две катушки.
Применяются центрирующие шайбы гофрированной (рис. 5,a) или паучковой (рис. 5,6) конструкции. Первые, получившие у нас наибольшее распространение, имеют концентрические гофры с числом гофр два — пять разнообразного профиля (синусоидального, трапецеидального и других) и делаются из пропитанной бакелитовым или цапон-лаком хлопчатобумажной или шелковой ткани. Паучковые центрирующие шайбы изготовляются штамповкой из тонкого текстолита. У большинства громкоговорителей центрирующая шайба расположена с внешней стороны диффузора (рис. 5, а, б), однако она может быть расположена и внутри диффузора (рис. 5, в), будучи прикрепленной своей центральной частью к керну. Внутренняя центрирующая шайба не допускает больших перемещений звуковой катушки без нарушения линейности ее упругости. Поэтому она применяется только в маломощных и высокочастотных громкоговорителях, у которых перемещения звуковой катушки малы.
Довольно часто, особенно в громкоговорителях большой мощности центрирующая шайба устанавливается на переднем фланце магнитной системы.
В некоторых громкоговорителях вместо кольцевого гофра применен воротник из дугообразных полосок тонкой кожи или другого гибкого материала.
Высота (глубина) диффузора делается такой, чтобы обеспечить симметричное положение звуковой катушки по высоте магнитного зазора; соблюдение этого способствует уменьшению нелинейных искажений громкоговорителя.
Для хорошего воспроизведения высших звуковых частот диффузор должен быть жестким и иметь меньшую массу. Чтобы диффузор обладал достаточной жесткостью, ему обычно придают коническую форму с углом раскрытия от 100 до 120—130° С. При больших углах диффузор оказывается недостаточно жестким, а при меньших — слишком тяжелым, так как при этом растет глубина диффузора. Жесткость конической части диффузора можно повысить употреблением более жестких сортов целлюлозы и последующей пропиткой части диффузора, прилегающей к звуковой катушке, лаками. Этой же цели способствует кривизна образующей конуса (рис. 6, а), которая предназначена главным образом для снижения субгармонических колебаний диффузора (на половине возбуждающей частоты). Кроме того, иногда применяют дополнительный диффузор (конус) с меньшим углом раскрытия, который прикрепляется своей вершиной к основному диффузору (рис. 6,б). Второй диффузор, будучи жестче, лучше воспроизводит высшие частоты, расширяя вверх границу воспроизводимых частот. Иногда в громкоговорителях мощностью 5 вт и выше применяют диффузоры с кольцевой гофрировкой (рис. 6, б), у которых благодаря гибкости гофра часть диффузора, прилегающая к его основанию, как бы отключается на высших частотах, уменьшая массу подвижной системы и улучшая воспроизведение этих частот.
Диффузородержатель ( корзина) предназначен для установки в нем диффузора, элементов подвижной системы и крепления громкоговорителя во внешнем оформлении, часто называемым акустическим. Диффузородержатели делают преимущественно из стали глубокой вытяжки, твердых сортов алюминия или отливают из силумина (сплава алюминия с кремнием). Значительно реже делают диффузородержатель из пластмассы.
В диффузородержателях делаются боковые прорези (окна). Очень важно, чтобы в диффузородержателе была обеспечена параллельность между плоскостями, к которым крепятся воротник диффузора, центрирующая шайба и передний фланец магнитной системы. К переднему фланцу диффузородержатель прикрепляется заклепками или винтами, реже при помощи сварки.
Параметры
Громкоговорители характеризуются рядом показателей (параметров), определяющих их качество и эффективность работы. Основными из них являются номинальная мощность, основная резонансная частота (частота механического резонанса) подвижной системы, полное электрическое сопротивление, частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению и ее неравномерность, среднее стандартное звуковое давление, направленность излучениня, коэффициент гармоник и коэффициент полезного действия (к. п. д.). Значение этих параметров позволяет оценить качество каждого громкоговорителя, сравнить между собой, отдельные типы, определить их назначение, т. е. пригодность для тех или иных целей, а также правильно согласовать с усилительным устройством и внешним оформлением, в котором они должны работать.
На что обращать внимание при прослушивании
Существует несколько общих недостатков звучания громкоговорителей, на которые необходимо обратить внимание. Хотя некоторые из них и неизбежны (скажем, у дешевых громкоговорителей), но акустическую систему, демонстрирующую слишком уж большое их количество, следует сразу же вычеркнуть из числа претендентов.
Обращайте внимание на тупой, медлительный и бубнящий звук баса. Одной из наиболее утомительных характеристик плохих громкоговорителей является окрашенный, рыхлый и не имеющий выраженного тона бас. В звучании басовых нот должна прослушиваться отчетливая высота, а не низкочастотное гудение „одной ноты" на фоне музыки. Мужская речь хорошо раскрывает окраску верхнего баса; в нем не должно быть чрезмерно акцентированного или неестественного „ящичного" звука.
Отдельные басовые ноты не должны звучать громче остальных. Прислушайтесь к соло рояля, в котором нисходящие и восходящие ряды нот играются ровно на левых, т. е. низких регистрах инструмента. Каждая нота должна быть ровной по тональности и громкости, четко артикулированной. Если звучание одной ноты отличается от остальных, это может быть признаком того, что у громкоговорителя проблемы с этой частотой.
Глубокие басы должны быть плотными, чистыми и „быстрыми". Применительно к басам, качество важнее количества. Плохой бас — это постоянное напоминание о том, что музыка воспроизводится искусственно, а это усложняет ее прослушивание. Образцом того, как не должен звучать бас, являются автомобильные сабвуферы. Автомобильные стереосистемы разработаны в расчете на излучение максимальной мощности звука на одной частоте, на не артикулированный и не мелодичный бас. К сожалению, преувеличенность баса обычно указывает на худшее качество звучания этого частотного диапазона у громкоговорителей, ценовые категории которых — от дешевых до умеренно дорогих. Для таких громкоговорителей предпочтительнее слабый, плотный и артикулированный бас.
Прислушайтесь к совместному звучанию малого барабана и бас-гитары. За звуками бас-гитары вы должны слышать динамичный басовый рисунок барабана. Барабан должен звучать ритмично, а не казаться слегка запаздывающим относительно бас-гитары. Громкоговоритель, воспроизводящий ритм недостаточно мощно, делает звучание вялым, даже медленным. Но если громкоговоритель правильно передает ритмичность звучания, ваши ноги будут непроизвольно отбивать такт, вы услышите более „ритмичную" и вовлекающую музыку.
У некоторых громкоговорителей особенно утомительной может быть окрашенность средних частот. К счастью, уровни окраски у современных громкоговорителей значительно ниже, чем, скажем, 15 лет назад. Тем не менее существует еще множество акустических систем с окрашенным звучанием. Их можно узнать по специфическому звучанию вокальных партий, напоминающему звуки речи сквозь сложенные рупором ладони, по носовому звучанию или по выделению некоторых гласных звуков. Чаще встречается небольшой подъем в этом диапазоне, проявляющийся звенящим, металлически окрашенным звуком фортепиано. Хороший громкоговоритель воспроизводит вокальные партии чисто и открыто, — создается впечатление, что они существуют отдельно от акустических систем. Проблемы в воспроизведении среднего звукового диапазона затруднят и восприятие музыки, — ее звучание будет таким, словно исходит из корпусов, а не рождается в пространстве.
Низкое качество звучания высоких частот характеризуется зернистым или грязным звучанием скрипок, тарелок и чрезмерно акцентированными свистящими звуками вокальных партий (звуки с и ш). Тарелки „забрызгивают" всю звуковую сцену шлепками, которые воспринимаются как взрывы невнятного белого шума, в то время как их звучание должно иметь некоторую утонченность, фактуру и высоту тона. При хорошем воспроизведении высокие частоты составляют единое целое с музыкой, не привлекая к себе внимания. Если вы обнаружите, что пара громкоговорителей дает вам знать о высоких как об отдельной составляющей музыки, будьте начеку.
Еще одно качество громкоговорителей, на которое следует обратить внимание — это их способность звучать на большой громкости без перегрузки. Некоторые акустические системы звучат великолепно на низких уровнях громкости, но сильно искажают звук на высоких уровнях. Послушайте оркестровую музыку с крещендо — звук не должен разрушаться и становиться хриплым на громких, сложных пассажах.
Наконец, громкоговорители должны „растворяться" в звуковой сцене. Хорошая пара громкоговорителей развернет перед вами в пространстве музыку, не оставив и мысли о том, что звук исходит из двух ящиков, расположенных у противоположных стен комнаты. Певцы должны обрести точные, осязаемые образы и расположиться между громкоговорителями (если они были записаны именно так). Звуковой образ инструмента должен занять определенное место на звуковой сцене, не смещаясь в одну или другую сторону при переходе с одного регистра на другой. Звучание музыки должно быть открытым и прозрачным, а не туманным, мрачным или непрозрачным. В общем, чем меньше вы будете замечать сами громкоговорители, тем лучше.
Некоторые акустические системы классом ниже high-end имеют окрашенность звучания, специально заложенную в них при разработке. Бас делается большим и жирным, высокие — излишне яркими, чтобы создать иллюзию „чистоты". Такие громкоговорители обычно чрезвычайно чувствительны, поэтому они будут играть громче других, если не предварить сравнительное прослушивание операцией согласования уровней. Эти акустические системы могут произвести на слушателя благоприятное впечатление при двухминутной демонстрации, но станут чрезвычайно утомительны, после того как вы принесете их домой. Вряд ли вы найдете такие изделия в настоящем high-end-магазине.
Наконец, несомненным признаком того, что громкоговоритель позволит вам долгое время получать удовлетворение от музыки у себя дома, будет тот факт, что при прослушивании вы получили огромное удовольствие от музыки, не думая в эти минуты о громкоговорителях.
История громкоговорителя
Александер Грэм Белл запатентовал первую электродинамическую головку (капсюль) как одну из составных частей своего телефона, в 1876 г. В 1878 г. конструкция была усовершенствована Ве́рнером фон Си́менсом. Никола Тесла в 1881 г. также заявил об изобретении подобного устройства, но не патентовал его. В то же время Томас Эдисон получил британский патент на систему, использовавшую сжатый воздух в качестве механизма усиления звука в его ранних валиковых фонографах , и в конечном итоге установил обычный металлический рупор, колебания воздуха в котором вызывались мембраной, связанной с иглой. В 1898 г. Х. Шорт запатентовал конструкцию динамической головки, управляемую сжатым воздухом, и затем продал права Чарльзу Парсонсу, получившему ранее 1910 г. еще несколько британских патентов. Несколько компаний, включая Victor Talking Machine Company и Pathe(Пате), выпускали проигрыватели, использующие головки, управляемые сжатым воздухом. Однако подобные устройства (головки косвенного излучения)нашли лишь ограниченное применение ввиду плохого качества звука и неспособностью воспроизводить звуки низкой громкости. Разновидности подобных систем использовались в звукоусилительных установках (для больших площадей, стадионов и т. п.) и значительно реже — другие разновидности — применяемые в промышленности в испытательной технике вибростенды, например, для тестирования космического оборудования на устойчивость к низкочастотным вибрациям, производимым стартующей ракетой.
Современная конструкция головки с подвижной катушкой разработана в 1898 г. Оливером Лоджем. Принцип был запатентован в 1924 г. Честером У. Райсом и Эдвардом У. Келлогом.
Первые ГД с электромагнитами были очень больших размеров, а мощные постоянные магниты — труднодоступны ввиду значительной стоимости. Обмотка электромагнита, называемая полевой, намагничивается за счет тока, проходящего по другой обмотке головки (катушке подмагничивания). Такое включение имеет двоякую роль, ибо выполняет фильтрацию напряжения, питающего усилитель, к которому подключена данная акустическая система. Проходя по обмотке, фон переменного тока усиливается; однако, частоты переменного тока стремятся промодулировать аудиосигнал, поданный на звуковую катушку и складывающийся с слышимым шумом включенного устройства звуковоспроизведения.
Качество акустических звуковоспроизводящих систем до начала 50-х годов XX века было низким. Продолжающееся до сих пор улучшение дизайна корпусов и материалов привело к существенному улучшению качества звуковоспроизведения. Наиболее значительными усовершенствованиями являются: усовершенствование рамы, открытие технологии высокотемпературной адгезии, улучшение технологии изготовления постоянных магнитов, усовершенствование измерительной техники, и наконец проектирование и анализ элементов при помощи компьютера.
Полезные ссылки
Литература
М.М. ЭФРУССИ "Громкоговорители и их применение" .
Энциклопедия High-End Audio - второе издание.Роберт Харли
