Громкоговорители. Классификация и основные параметры

Громкоговоритель и телефон - это устройства для преобразования электрических колебаний в звуковые, акустические колебания воздушной среды. Поскольку громкоговорители и телефоны являются последними звеньями любого радиовещательного (звуковоспроизводящего) тракта или линии связи, то их свойства оказывают решающее влияние на качество работы в целом.

Акустическая система - устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей, необходимое акустическое оформление, необходимые электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т.п.).

По способу преобразования громкоговорители и телефоны подразделяются на электромагнитные (в основном телефоны), электродинамические катушечные, изодинамические, электростатические, пьезоэлектрические и некоторые другие. По виду излучения звука громкоговорители подразделяют на громкоговорители непосредственного излучения (диффузорные, куполообразные, ленточные) и рупорные. Различают громкоговорители по потребляемой электрической мощности (мощные, маломощные), а также и по чувствительности.

Громкоговорители характеризуются большим числом параметров, основные из которых приведены ниже.

Номинальное электрическое сопротивление - заданное в нормативно-технической документации активное сопротивление громкоговорителя при определении подводимой к нему электрической мощности.

Номинальная мощность - заданная электрическая мощность, при которой нелинейные искажения громкоговорителя не должны превышать требуемые.

Частотная характеристика по звуковому давлению - графическая или численная зависимость от частоты уровня звукового давления, развиваемого громкоговорителем в определенной точке свободного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра, при постоянном значении напряжения на выводах громкоговорителя.

Характеристическая чувствительность - среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1м от рабочего центра и проводимой электрической мощности 1 Вт.

Неравномерность частотной характеристики звукового давления - разность максимального и минимального значений уровней звукового давления (отношение максимального звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах) в заданном диапазоне частот.

Диаграмма направленности - графическая зависимость в условиях свободного поля уровня звукового давления для данных частоты (полосы частот) и расстояния от рабочего центра громкоговорителя от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением в точку измерения.

Приведенный коэффициент полезного действия - отношение акустической мощности, излучаемой громкоговорителем на данной частоте (полосе частот), к подводимой электрической мощности.

Собственная резонансная частота головки - частота, при которой значение модуля полного электрического сопротивления имеет свой первый максимум.

Системная модель громкоговорителя

Громкоговоритель представляет собой сложный электромеханоакустический преобразователь, в котором происходят линейное и нелинейное преобразование сигнала U(t), подводимого в виде напряжения от усилителя в распределенное в пространстве звуковое давление. Если входной сигнал представляет собой аналог реального музыкального или речевого сигнала, он имеет сложную временную нестационарную структуру (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Вид входного сигнала

Основная задача при проектировании акустических устройств, в которые входят громкоговорители, состоит в том, чтобы обеспечить неискаженную передачу временной структуры входного сигнала (технически реализуемой является задача передачи временной структуры сигнала с искажениями ниже порогов слышимости). Именно это условие выдвигает требования к неискаженной передаче частотного и динамического диапазона сигнала, а отсюда к уровню линейных и нелинейных искажений в громкоговорителях.

Рис. 4.2. Системная модель громкоговорителя

Функционально громкоговоритель может быть представлен в виде системной модели (рис. 4.2), состоящей из:

• электромагнитного преобразователя - «магнитная цепь + звуковая катушка», преобразовывающего подводимое напряжение U(t) в переменный ток I(t) и в электромеханическую силу F(t);
• механического преобразователя - «подвижная система громкоговорителя», осуществляющего линейное и нелинейное преобразование силы F(t) в распределенное по поверхности механическое смещение u*;
• акустического преобразователя - «излучающая диафрагма + воздушная среда», преобразовывающего смещения u* в распределенное в пространстве звуковое давление p(R, t).

Все эти подсистемы оказывают как прямое, так и обратное влияние друг на друга.

Рис. 4.3. Амплитудная характеристика громкоговорителя.

Работу громкоговорителя можно проиллюстрировать с помощью графика (рис. 4.3). Он показывает, как диффузор громкоговорителя отклоняется от условной средней линии положения покоя. Из графика видно, что чем больше ток, тем дальше отклоняется диффузор, а токам разного направления соответствует отклонение в разные стороны (вперед-назад). Приведенный график называют амплитудной характеристикой. Появление загибов на графике объясняется достаточно просто - ток не может беспредельно отклонять диффузор. Диффузор закреплен достаточно прочно, и амплитуда его отклонений ограничена. До тех пор пока громкоговоритель работает на линейном участке и отклонение прямо пропорционально току, преобразование "ток - звук" происходит без нелинейных искажений.

Громкоговоритель не может одинаково хорошо преобразовать в звук переменные токи разных частот (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Частотная характеристика громкоговорителя.

Электродинамические

Наиболее распространенная конструкция обычной электродинамической головки показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Внешний вид и устройство головки громкоговорителя.

В кольцевом воздушном зазоре магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита 6, верхнего и нижнего фланцев, керна 8, составляющих магнитопровод, в радиальном направлении проходит постоянный магнитный поток. В этом зазоре центрирована так называемая звуковая катушка 9, к которой с помощью особо гибких проводников приложено переменное напряжение звуковой частоты. Звуковая катушка обычно имеет четное число слоев обмотки, чтобы ее начало и конец были с одной стороны. Ток, проходя через катушку, взаимодействует с постоянным магнитным потоком и создает электродинамическую силу, приводящую в колебания катушку и скрепленную с ней диафрагму (диффузор) 2. Диффузор представляет собой конус, имеющий в основании окружность или эллипс и прямую или криволинейную образующую. По верхнему краю диффузор имеет гофрированный верхний подвес 3. Назначение верхнего подвеса - обеспечить диффузору возможность колебаться поршнеобразно в широком диапазоне частот и увеличить диапазон линейной зависимости сигнала - смещение диффузора. У своей вершины диффузор, а вместе с ним и звуковая катушка удерживаются с помощью центрирующей шайбы 4. Эта шайба также гофрированная, охватывает по внутреннему контуру вершину диффузора в месте прикрепления каркаса звуковой катушки, а по внешнему - крепится к специальному кольцу или полке, выполненной на диффузородержателе 5. Последний является основой конструкции громкоговорителя. Диффузородержатель имеет окна, назначение которых - исключить возникновение стоячих волн с тыльной стороны диффузора. Вершина конуса диффузора заклеена противопылевым колпачком 1, который может изготавляться как из акустически прозрачного материала, так и из акустически непрозрачного, жесткого. В последнем случае такой колпачек выполняет также функцию дополнительного излучателя для высоких частот и с целью исключения появления под ним при больших амплитудах колебаний диффузора, в каркасе звуковой катушки делают антикомпрессионные отверстия. Для более эффективного отвода тепла от звуковой катушки мощные головки громкоговорителей снабжаются радиатором 7. такой радиатор выполняет функцию экрана, уменьшающего магнитный поток рассеяния, и защитной крышки, предохраняющей хрупкий постоянный магнит от случайных повреждений.

Электростатичекие

Работа электростатического излучателя основана на взаимодействии электростатических зарядов. Он представляет собой две перфорированные пластины, между которыми натянута мембрана. Мембрана, как правило, выполнена из полимера с нанесенным на него проводящим слоем. Толщина ее - 10-15 микрон, а масса соизмерима с массой колеблющегося воздуха. Таким образом, статик является практически безынерционным излучателем, что позволяет ему работать в широком диапазоне частот с малыми искажениями. На пленку подается напряжение поляризации (несколько кВ), а на пластины от усилителя через трансформатор - звуковой сигнал. В результате взаимодействие заряда на пленке с напряжением на пластинах заставляет пленку двигаться со звуковой частотой. Статик - биполярная система, то есть излучает одинаковую акустическую энергию в обе стороны относительно плоскости излучателя. Поэтому ставить его вплотную к стене нельзя - это помешает нормальной работе, звучание будет тусклое, "сдавленное". Оптимальное расположение от стены 70-100 см.

Рис. 4.6. Примерный вид статического громкоговорителя.

Рупорные

Довольно широкое применение для озвучения имеют рупорные громкоговорители. Устройство электродинамического рупорного громкоговорителя отличается от устройства диффузорного тем, что либо к диффузору примыкает рупор, назначение которого в данном случае - служить концентратором и, следовательно, увеличивать звуковое давление на оси рупора, либо со звуковой катушкой скрепляют диафрагму обычно куполообразной формы, а по переферии - гофрированный подвес. Диафрагма через акустическую камеру, представляющую собой объем воздуха с входным сечением, равным поверхности диафрагмы S_д , своим выходным сечением примыкает к горлу рупора площадью S₀ . Эта камера играет роль акустического трансформатора с коэффициентом трансформации S₀/S_д, согласующего механическое сопротивление подвижной системы громкоговорителя с входным механическим сопротивлением рупора, являющимся, по существу, сопротивлением нагрузки. Поскольку конструктор имеет возможность изменять коэффициент трансформации в широких пределах, то можно выбрать такой режим нагрузки подвижной системы, при котором будут достигнуты выгодные условия передачи энергии колебаний рупору.

Рис. 4.7. Внешний вид рупорного громкоговорителя.