Тема 9.4. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИФФУЗОРНЫХ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

Полное сопротивление

Если рассматривать сопротивление неподвижной звуковой катушки, то оно состоит из активного и индуктивного сопротивлений. Это собственное сопротивление звуковой катушки Z_о. Активное сопротивление зависит от диаметра и длины провода, которым намотана звуковая катушка. Индуктивное сопротивление обусловлено наведением в звуковой катушке ЭДС самоиндукции при изменении тока в катушке. Оно зависит от числа витков катушки и от частоты подводимого к ней напряжения.

При работе громкоговорителя звуковая катушка колеблется в магнитном поле. При этом она пересекает магнитные силовые линии, и в катушке наводится ЭДС индукции, которая по правилу Ленца направлена навстречу приложенному напряжению.

Подвижная система громкоговорителя совершает вынужденные колебания под действием электродинамической силы, равной F = ВlI.

Полное электрическое сопротивление громкоговорителя — важный показатель его работы, так как определяет сопротивление нагрузки для оконечного каскада усилителя. С этой точки зрения рассмотрим зависимость полного сопротивления громкоговорителя от частоты электрических колебаний, подводимых к катушке. Оно является суммой собственного и внесенного сопротивлений. Поэтому проанализируем влияние каждого из них на частотную характеристику.

Индуктивность звуковой катушки невелика. На нижних частотах индуктивное сопротивление катушки мало и катушка обладает активным сопротивлением, не зависящим от частоты. На средних и верхних частотах индуктивное сопротивление возрастает, поэтому увеличивается и собственное сопротивление звуковой катушки.

Внесенное сопротивление зависит от колебательной скорости подвижной системы громкоговорителя, а значит, и от ее механического сопротивления.

На частоте механического резонанса механическое сопротивление минимально и равно активному сопротивлению подвижной системы. Колебательная скорость на этой частоте достигает наибольшего значения, поэтому максимально и внесенное сопротивление. При понижении и повышении частоты колебаний относительно частоты резонанса механическое сопротивление возрастает, колебательная скорость, а следовательно, и внесенное сопротивление уменьшаются. Зависимость внесенного сопротивления громкоговорителя от частоты колебаний выражается резонансной кривой. Подвижная система диффузорных громкоговорителей выполняется так, что частота механического резонанса лежит в области нижних частот (она является нижней граничной частотой диффузорного громкоговорителя). Из этого следует, что полное сопротивление возрастает на нижних частотах вследствие роста внесенного сопротивления и достигает максимального значения на частоте механического резонанса. При дальнейшем повышении частоты колебаний внесенное сопротивление уменьшается и имеет, следовательно, емкостный характер. На верхней частоте происходит электромеханический резонанс из-за равенства внесенного (емкостного) и собственного индуктивного сопротивлений. Полное электрическое сопротивление при этой частоте является чисто активным и определяет величину номинального электрического сопротивления громкоговорителя. Оно несколько превышает сопротивление звуковой катушки постоянному току. При дальнейшем повышении частоты полное сопротивление громкоговорителя увеличивается за счет индуктивного сопротивления звуковой катушки. Таким образом, в рабочем диапазоне частот происходит значительное изменение полного сопротивления громкоговорителя, что является причиной рассогласования его с выходом усилителя и изменения выходной мощности усилителя, т. е. причиной частотных искажений.

Уменьшение мощности, развиваемой на выходе усилителя, менее заметно, если сопротивление нагрузки возрастает по сравнению с номинальным, а не становится меньше его. Кроме того, индуктивное сопротивление громкоговорителя необходимо уменьшать, так как в транзисторных усилителях при больших реактивных сопротивлениях нагрузки значительно увеличиваются токи в момент включения и отключения источников питания, что выводит транзистор из строя.

В конструкции диффузорных громкоговорителей предусматриваются меры для уменьшения искажений, возникающих вследствие изменения полного сопротивления при изменении частоты колебаний.

Неравномерность частотной характеристики полного сопротивления при нижних частотах уменьшается при использовании фазоинвертора. Громкоговоритель и фазоинвертор представляют собой сложную колебательную систему. Минимальное значение механическое сопротивление имеет на частотах, которые определенным соотношением связаны с частотой < 0. Увеличение механического сопротивления на частоте резонанса приводит к уменьшению колебательной скорости подвижной системы и к уменьшению внесенного сопротивления.

Рост индуктивного сопротивления звуковой катушки на верхних частотах уменьшается при использовании короткозамкнутого витка, индуктивно связанного со звуковой катушкой. Этот виток выполняется в виде тонкостенного (толщина стенок 0,3—0,4 мм) медного колпачка, насаживаемого на торец керна. Между звуковой катушкой и короткозамкнутым витком существует индуктивная связь, образующая трансформатор, вторичная обмотка которого состоит из одного витка. В этом витке наводятся вихревые токи, он обладает активным сопротивлением, которое в схеме замещения трансформатора оказывается включенным параллельно индуктивности звуковой катушки. На нижних частотах влияние витка не сказывается, так как индуктивное сопротивление катушки значительно меньше активного сопротивления витка.

При повышении частоты индуктивное сопротивление возрастает и шунтируется приведенным сопротивлением витка, поэтому индуктивность катушки как бы уменьшается при повышении частоты.

Частотные искажения

Частотная характеристика диффузорных громкоговорителей имеет значительную неравномерность. Характеристики однотипных, но различных громкоговорителей отличаются друг от друга. Однако у всех диффузорных громкоговорителей частотная характеристика имеет спад на нижних частотах, неравномерность на средних и верхних частотах, спад на верхних частотах.

Диффузор громкоговорителя на нижних частотах можно с небольшой погрешностью уподобить поршневому излучателю, поэтому собственная частота подвижной системы громкоговорителя является для него нижней граничной частотой. Ниже этой частоты излучаемая громкоговорителем мощность уменьшается, причем спад мощности составляет 12 дБ на октаву. Для расширения полосы нижних частот, воспроизводимых громкоговорителем, необходимо снижать частоту механического резонанса. Это может быть достигнуто при увеличении массы и гибкости подвижной системы. Увеличение массы приведет к уменьшению отдачи на верхних частотах.

Частота резонанса понижается за счет увеличения гибкости подвеса, главным образом гофра. С этой целью гофр промазывают незасыхающей смазкой (головки 4А-32, 4А-44, 2А-12) или выполняют из винилискожи и подклеивают к диффузору (головка 2А-14). У современных широкополосных кинотеатральных диффузорных головок частота механического резонанса лежит в пределах от 40 до 70 Гц, причем нижний предел характерен для более мощных головок.

Другой причиной спада частотной характеристики на нижних частотах является интерференция прямой и оборотной волн, происходящая вследствие огибания звуковыми волнами громкоговорителя. Как указывалось, это явление может быть частично устранено применением закрытого ящика или фазоинвертора.

В киноаппаратуре головки громкоговорителя оформляются в закрытых ящиках, ящиках-фазоинверторах и рупорах-фазоинверторах. Внутренняя поверхность ящика обрабатывается пористым звукопоглощающим материалом, чтобы уменьшить влияние отраженных волн на колебания подвижной системы громкоговорителя. Фазоинвертор позволяет использовать энергию оборотной волны, вследствие чего уровень стандартного звукового давления повышается в сравнении с работой головки в закрытом ящике.

При использовании фазоинвертора увеличивается активное механическое сопротивление при частотах, близких к частоте резонанса подвижной системы. Поэтому уменьшаются нелинейные искажения и внесенное сопротивление громкоговорителя, что также способствует уменьшению частотных искажений на нижних частотах. Однако применение фазоинвертора вызывает фазовые искажения в громкоговорителях из-за наличия нескольких резонансов, что снижает качественные показатели громкоговорителя. Для уменьшения фазовых искажений в свободном отверстии фазоинвертора размещают пористый звукопоглотитель с целью увеличения активного механического сопротивления. Кроме того, для уменьшения неравномерности частотной характеристики на нижних частотах находят применение громкоговорители с пассивным излучателем, в которых в свободном отверстии фазоинвертора помещают диафрагму, колебания которой возбуждаются через воздух, заключенный внутри ящика.

В некоторых конструкциях заэкранных громкоговорителей используются еще и рупоры-фазоинверторы. Низкочастотный рупор представляет собой ящик, выполненный из 20-мм фанеры. Передняя стенка ящика отсутствует и заменена экспоненциальным широкогорлым рупором, выполненным также из фанеры. Сверху и снизу симметрично относительно устья рупора в передней стенке имеются два отверстия, предназначенные для выхода оборотной волны. Гибкость воздуха внутри ящика и масса воздуха в этих отверстиях составляют акустическую систему, инвертирующую фазу оборотной волны.

Неравномерность частотной характеристики громкоговорителя на средних и верхних частотах вызывается тем, что колебания диффузора отличаются от колебаний жесткого поршня.

Интерференция прямой и отраженной волн приводит к образованию стоячей волны, и на поверхности диффузора образуются узловые зоны, по обе стороны которых колебания участков поверхности совершаются в противофазе. Положение узловых зон зависит от частоты колебаний. В результате сложения колебаний, излучаемых различными участками поверхности диффузора, суммарное звуковое давление изменяется, вследствие чего возникают пики и провалы частотной характеристики.

Спад частотной характеристики громкоговорителя на верхних частотах объясняется тем, что колебания подвижной системы громкоговорителя в рабочей полосе частот управляются массой. При повышении частоты происходит уменьшение колебательной скорости, а значит, и акустической мощности. Рост инерциального сопротивления на верхних частотах приводит к спаду уровня акустической мощности, равному 6 дБ на октаву. Для уменьшения частотных искажений на верхних частотах специально подбирают состав бумажной массы, из которой отливают диффузор. Выполняют диффузор так, чтобы толщина его была наибольшей у вершины конической поверхности и постепенно убывала к его основанию, пропитывают вершину конуса особым лаком. В результате этого поперечные колебания, распространяющиеся вдоль образующей диффузора, затухают, и амплитуда колебаний уменьшается от вершины к основанию диффузора. Это убывание амплитуды происходит тем быстрее, чем выше частота. На верхних частотах колеблется только вершина диффузора. Масса

колеблющейся части подвижной системы тем самым уменьшается, но одновременно уменьшается и излучающая поверхность, а значит, и сопротивление излучения. Поэтому в конструкцию громкоговорителя вводится дополнительный излучатель-высокочастотный конус. Второй конус делается более жестким из-за подбора бумажной массы и малого угла раскрытия конуса. На верхних частотах он выполняет роль излучателя, поэтому увеличивается сопротивление излучения и полоса воспроизводимых верхних частот расширяется до 10—12 кГц (вместо 7—8 кГц) при прежних частотных искажениях. На нижних частотах роль излучателя выполняет большой конус, однако у двухдиффузорных громкоговорителей несколько увеличивается масса подвижной системы, снижается частота механического резонанса и расширяется полоса воспроизводимых нижних частот.

Другой причиной частотных искажений на верхних частотах является увеличение индуктивного сопротивления, что приводит к рассогласованию усилителя и громкоговорителя. Искажения уменьшаются при использовании насадки на керн в виде тонкостенного медного колпачка.

Нелинейные искажения

Для того чтобы при работе диффузорного громкоговорителя не возникали нелинейные искажения, звуковое давление, создаваемое громкоговорителем, должно изменяться во времени по тому же закону, что и ток в звуковой катушке. Выполнению этого условия препятствует ряд причин, связанных с конструктивными особенностями диффузорного громкоговорителя. Одной из таких причин является непостоянство магнитной индукции в кольцевом зазоре магнитопровода. Зазор имеет конечную высоту, поэтому магнитное поле в зазоре не является однородным. Величина магнитной индукции максимальна в центре зазора и уменьшается у ее краев.

В результате при движении звуковой катушки нарушается прямая пропорциональность между электродинамической силой и величиной тока в звуковой катушке

(Р = В•l•I), так как коэффициент пропорциональности (В] не является постоянной величиной. Это приводит к возникновению нелинейных искажений. При воспроизведении синусоидальных сигналов вследствие неоднородности магнитного поля в зазоре возникает вторая гармоника. Искажения возрастают при увеличении амплитуды колебания, так как в этом случае катушка сильнее смещается к краям зазора. Особенно заметны нелинейные искажения, вызванные неоднородностью магнитного поля, при воспроизведении громкоговорителем сложного сигнала, состоящего из гармоник нижних и верхних частот. На нижних частотах подвижная система колеблется с большей амплитудой, чем на верхних частотах. Поэтому в те моменты времени, когда в соответствии с законом колебаний нижних частот звуковая катушка значительно смещается относительно центра зазора, величина средней магнитной индукции, действующей на звуковую катушку, уменьшается и колебание верхней частоты, воспроизводимое одновременно с низкочастотным сигналом, ослабляется. Когда же катушка пересекает центр зазора, средняя магнитная индукция возрастает и высокочастотное колебание усиливается. Таким образом, высокочастотное колебание модулируется с частотой низкочастотного сигнала. Возникающие искажения называются модуляционными. Они приводят к появлению на выходе громкоговорителя колебаний с частотой. Для уменьшения искажений высоту намотки звуковой катушки увеличивают в сравнении с высотой зазора магнитной цепи. Тогда величина средней индукции, действующей на катушку при ее колебаниях, изменяется в меньших пределах. Величина нелинейных искажений зависит от размещения катушки по высоте зазора. При отсутствии сигнала центр катушки должен совпадать с центром зазора магнитной цепи. Чтобы обеспечить правильное расположение звуковой катушки, в некоторых конструкциях громкоговорителей (например, головки 2А-12, 4А-32, 4А-44 и др.) подвижная система при сборке громкоговорителя подклеивается к диффузородержателю особой конструкции, а после этого собранный узел крепится к магнитной системе. Такая конструкция обеспечивает центрирование катушки по высоте зазора и не нуждается в дополнительной регулировке.

Кроме того, выбором формы керна добиваются симметрии убывания магнитного потока по краям зазора. Нелинейные искажения значительно снижаются.

Другой причиной нелинейных искажений, возникающих при работе громкоговорителей, является нелинейность подвеса подвижной системы. Это означает, что при увеличении смещения подвижной системы нарушается прямая пропорциональность между силой упругости, возникающей при деформации центрирующей шайбы и гофра, и смещением системы. Возрастание силы упругости приводит к искажению формы воспроизводимых колебаний. Появляется колебание третьей гармоники. Величина искажений зависит в основном от материала и формы гофра. Уменьшение искажения при использовании тангенциального гофра или гофра других, несимметричных форм достигается подбором материала для его изготовления.

Еще одной причиной искажений являются колебания диффузора под действием

продольной составляющей электродинамической силы. У основания диффузор посредством гофра крепится к диффузородержателю. В тот момент, когда сила изменяет свою полярность и действует на растяжение, образующая диффузора занимает нейтральное положение. Когда сила вновь действует на сжатие (по прошествии отрезка времени, равного периоду силы), образующая диффузора, двигаясь по инерции, прогибается в другую сторону. Следовательно, образующая диффузора совершает одно полное колебание за два периода силы. Отсюда следует вывод, что под действием продольной составляющей силы образующая диффузора совершает колебания, основная частота которых в два раза ниже частоты подводимых колебаний. Возникающие искажения называют параметрическими. Для уменьшения параметрических искажений выполняют диффузор с криволинейной образующей в виде отрезка дуги большого радиуса. В этом случае образующая диффузора может прогибаться только в одну сторону — в сторону уже имеющегося изгиба.

Характеристика направленности

Характеристика направленности диффузорного громкоговорителе зависит от формы излучаемой волны. Если сравнивать диффузорный громкоговоритель с поршневым излучателем, то можно считать, что на нижних частотах излучение громкоговорителя ненаправленно, так как фронт излучаемой волны близок к сферическому. С повышением частоты диаграмма направленности становится острее. Изменение характеристики направленности при изменении частоты колебаний является недостатком диффузорных громкоговорителей. Если слушатель находится вблизи рабочей оси громкоговорителя, то колебания различных частот достигают его одинаково. Если же слушатель находится под значительным углом к рабочей оси громкоговорителя, то воспринимаемые им колебания верхних частот ослаблены в сравнении с низкочастотными колебаниями. Возникают дополнительные частотные искажения.

Диаграмма направленности диффузорного громкоговорителя может быть изменена применением группового излучателя, который состоит из нескольких диффузорных громкоговорителей, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга так, что их рабочие центры находятся на одной вертикальной прямой. В результате интерференции волн, излучаемых этими громкоговорителями, происходит усиление звуковой энергии, распространяющейся вдоль рабочей оси каждого громкоговорителя и в направлениях, близких к рабочей оси, так как в этом случае все излучаемые волны совпадают по фазе. Интерференция же волн, излучаемых под значительным углом к рабочей оси громкоговорителей, приводит к их взаимному ослаблению вследствие фазового сдвига.

Таким образом, в плоскости, проходящей через рабочие центры громкоговорителей, происходит концентрация звуковой энергии вблизи рабочей оси группового излучателя и диаграмма направленности получается вытянутой. В горизонтальной плоскости диаграмма направленности не отличается от направленности отдельного громкоговорителя. Подобного рода групповым излучателем является звуковая колонка

с шестью - восемью головками диффузорного типа. В результате повышения направленности в вертикальной плоскости увеличивается дальность распространения звука. Звуковые колонки применяются в кино для оформления громкоговорителей в крупных киноконцертных залах (портальные и настенные громкоговорители), а также для озвучения больших залов, площадей.

Объем воздуха внутри колонки велик и практически не влияет на частоту основного резонанса головок. Боковые стенки ящика не параллельны, внутренние поверхности боковых и задней стенок обрабатываются звукопоглощающим материалом.

Для улучшения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости звуковая колонка может состоять из двух вертикальных цепочек, развернутых относительно друг друга под небольшим углом (например, 60°).

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 593; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!