Поскольку любой кроссовер является комбинацией «реактивных» элементов (конденсаторов и катушек индуктивности), он неизбежно приводит к смещению фазы электрического колебания, т.е. вносит фазовые искажения еще до прихода сигнала на динамики АС. Поэтому важно не только иметь ровную АЧХ, но и линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ) фильтра. Наиболее линейную ФЧХ имеют фильтры первого порядка. Однако их применение ограничено несовершенством головок -- недостаточным запасом по частоте относительно частоты раздела. Конденсаторы лучше использовать полипропиленовые -- с малыми диэлектрическими потерями, а индуктивности лучше мотать проводом прямоугольного сечения -- меньше межвитковая паразитная емкость. При этом параметры фильтра будут максимально близки к расчетным.

Не следует забывать и о том, что расчетные фазочастотные характеристики кроссовера обеспечиваются при нулевом выходном сопротивлении усилителя. От этого сопротивления зависят и фазовые характеристики головок громкоговорителя. На краях звукового диапазона в большинстве ламповых усилителей из-за разделительного трансформатора происходит спад АЧХ: на высоких частотах из-за индуктивности рассеяния и скин-эффекта, на низких -- из-за недостаточной габаритной мощности. Вот еще одна из причин в различии звучания ламповых и транзисторных УМЗЧ.

Однако куда более серьезные искажения сигнала обусловлены нелинейностью электродинамического преобразователя -- динамической головки (до 5% и более нелинейные искажения и до 25% интермодуляционные) и его взаимодействия с акустикой помещения.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения проявляются в том, что в излучаемом звуке появляются частоты кратные подводимой частоте (гармоники) или в целое число раз меньше (унтертоны или субгармоники). Основная причина -- смещение, скорость и ускорение диффузора не пропорциональны приложенным силам. Заметность гармонических составляющих существенно зависит от их порядка. Заметность гармонических искажений третьего порядка примерно вдвое выше, чем второго, а пятого и других нечетных порядков -- в 6... 10 раз. Частотная область максимальной чувствительности находится в пределах 1...2 кГц. Гармонические составляющие играют огромную роль в спектре звука любого инструмента, и во многом определяет особенность его звучания. Влияет также и скорость нарастания и спада фронтов сигнала и его гармоник. Одна и та же нота, сыгранная на скрипке, звучит совершенно по-разному при воспроизведении в прямом и обратном направлении.

Нелинейные искажения подразделяются:

*гармонические низших порядков (второго, третьего);

*субгармонические и комбинационные субгармонические;

*гармонические высших порядков;

*интермодуляционные и частотно-модулированнные (эффект Доплера).

Гармонические искажения второго и третьего порядков преимущественно зависят от технологии изготовления и конструкции гофрированных подвесов и шайб.

Субгармонические искажения возникают в основном из-за «потери динамической устойчивости» диафрагмы, что приводит к появлению изгибных колебаний с частотой f_S/n, проявляющихся как «призвук» или боковых полос вокруг основной частоты, и субгармонических составляющих, проявляющихся на слух как «дребезг». Повышенные нелинейные (гармонические) искажения могут косвенно отражаться на качестве самых разных аспектов звукового изображения: изменение тембров инструментов, снижение прозрачности, ухудшение локализации, и т.д.

Даже незначительные изменения гармонических составляющих (амплитуды, частоты, фазы) спектра, могут регистрироваться как неясные искажения тембра.

Основные меры борьбы: сдвиг спектра паразитных излучений в ультразвуковую область повышением жесткости диафрагмы, различные меры демпфирования в подвесах и диффузорах. С целью симметрирования распределения индукции в зазоре в современных головках используют специальные конструкции кернов и фланцев, в НЧ-головках используют высоту намотки, в 2...3 раза превышающую высоту зазора. Для уменьшения искажений в виде второй гармоники, обусловленной изменением индуктивности звуковой катушки при перемещении подвижной системы, асимметрией магнитной системы, применяют индуктивно связанные с катушкой коротко-замкнутые витки (обычно медные колпачки толщиной 0,2...0,3 мм по всей длине керна или слоистые полюсные вставки из магнито-мягкого материала тип Fe-Ni и др. Одним из источников нелинейных искажений может служить нелинейная упругость замкнутого объема воздуха в подколпачковом пространстве. Поэтому ряд головок имеет отверстие в керне.

Интермодуляционные и частотно-модулированнные (ЧМ) искажения. Особую роль играют искажения взаимной модуляции, неприятной спецификой которых является возникновение в спектре сигнал компонент, с частотой ниже и выше частоты модулирующего колебания (равных сумме и разности подводимых частот). Поэтому при равенстве энергий гармонических и интермодуляционных искажений, последние оказываются заметнее.

В соответствии с определением, данным в рекомендациях МЭК. 268-5, «интермодуляционные искажения -- это проявление амплитудной нелинейности, выраженное в виде модуляционных продуктов, появляющихся при подаче сигнала, состоящего из сигналов с частотами f₁ и f₂ (где f₁ < f₂/8). Количественно интермодуляционные искажения определяются по спектральным компонентам с частотами f₂ ± (n -- 1) f₁ где п = 2, 3, ... Существование интермодуляционных искажений явилось одной из причин создания многополосных систем воспроизведения звука.

Основная причина интермодуляционных искажений -- нелинейность упругих характеристик подвижных систем. Меры борьбы -- создание многополосных систем, использование для изготовления элементов подвижных систем соответствующих материалов, наполнителей и пропиток. Уменьшению нелинейных искажений, в том числе и интермодуляционных, способствует обтекаемая форма корпуса.

Эффект Доплера проявляется в частотной модуляции, возникающей в случае, если источник, излучающий сигнал с частотой f₂ совершает колебания относительно точки измерения с частотой f₁ что имеет место при одновременном воспроизведении высокой и низкой частот одним громкоговорителем (т.е. одной динамической головкой).

Основные меры борьбы с ЧМ-искажениями -- использование головок в ограниченном диапазоне частот, снижение амплитуд смещения на частоте резонанса (для НЧ-головок с помощью фильтра ВЧ второго порядка, для ВЧ-головок -- использованием режекторного фильтра), использование СЧ- и ВЧ-головок в изолированных корпусах.

Переходные искажения (ПИ)

Реальный звуковой сигнал носит импульсный характер, т.е. представляет собой непрерывный переходный процесс. Хорошая акустическая система должна иметь такие переходные характеристики, которые обеспечивали бы ее способность точно преобразовывать электрический импульс в звуковой, т.е. сохранять форму и продолжительность импульса.

Переходные искажения заключаются в том, что при подведении к преобразователю напряжения развиваемое им звуковое давление, не сразу достигает определенного значения, а нарастает постепенно и не сразу спадает до нуля при выключении подводимого напряжения. Причина ПИ -- инерция и упругость элементов преобразователей. Свободная составляющая колебаний подвижной системы головок неизбежно порождает призвук. Заметность этого призвука зависит от его продолжительности -- временного интервала, в течение которого амплитуда свободной составляющей колебания уменьшается в 20 раз

Продолжительность призвука связана с добротностью головки и частотой ее механического резонанса следующим выражением

Для СЧ-головок продолжительность призвука не должна быть более 0,2 мс, для НЧ-головок -- не более 5 мс.

Эффект Хааса (Haas). В случае прихода к ушам 2-х одинаковых звуковых сигналов с временным интервалом между ними 5...40 мс слух воспринимает их как один сигнал, при интервале более 40...50 мс (это значение колеблется от 30 до 300 мс) -- раздельно.

Переходные характеристики АС зависят от степени электромеханического демпфирования подвижной системы динамических головок. Демпфирование подразделяют на несколько видов: электрическое, механическое, акустическое. Из них механическое демпфирование обеспечивается за счет трения в подвижной системе. Акустическое демпфирование выполняют заполнением пространства вблизи головки звукопоглощающим материалом -- эффективно действует от самых низких звуковых частот до 4...5 кГц. Однако наибольший вклад в демпфирование вносит выходное сопротивление усилителя, особенно транзисторного. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше наведенный в катушке ток, а соответственно, и тормозящая сила. Это в значительной степени и определяет разность звучания одной и той же АС с различными усилителями.

Каждый электрический импульс звукового сигнала выводит диффузор динамической головки из положения равновесия, чем вызывает его дополнительные затухающие колебания на частоте механического резонанса. Следовательно, преобразование электрического сигнала в акустический сопровождается специфическими искажениями из-за наложения на звуковой сигнал собственных колебаний диффузора. При колебаниях диффузора в механически связанной с ним звуковой катушке наводится ЭДС, мгновенное значение которой (в вольтах) равно:

,

где В -- индукция в зазоре магнитной системы головки, Тл;й-- длина провода звуковой катушки, м; v -- мгновенное значение скорости звуковой катушки головки, м/с.

Так как контур замкнут, то в нем наводится ток, мгновенное значение которого (в амперах) равно:

R_K -- сопротивление звуковой катушки, Ом;

R_ВЫХ- выходное сопротивление усилителя, Ом.

Так как мгновенное значение тормозящей силы пропорционально мгновенному значению наведенного тока (F = B?I?i), то с точки зрения ускорения-успокоения диффузора головки выгодно иметь малое выходное сопротивление усилителя.

В отличие от НЧ-головок, у которых частота резонанса находится внутри воспроизводимого ими диапазона частот, резонансные частоты СЧ- и ВЧ-головок, как правило, лежат ниже воспроизводимого диапазона, и чем ниже, тем лучше. Поэтому при снятии АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению (т.е. при плавном изменении частоты сигнала и постоянном его уровне) резонансные свойства СЧ- и ВЧ-головок никак не проявляются и на результирующей АЧХ не отражаются. Реальный звуковой сигнал носит импульсный характер с широким динамическим диапазоном. Поэтому при резком изменении сигнала возникают условия для продолжения колебаний на частоте механического резонанса. Таким образом, резонансные свойства СЧ- и ВЧ-головок, в зависимости от схемы кроссовера и удаления от частоты раздела, могут существенно влиять на качество звуковоспроизведения. Переходные искажения, обусловленные высокой добротностью подвижной системы головки на частоте основного резонанса, особенно заметны на слух на средних частотах. Они придают звучанию металлический оттенок, лишают его прозрачности. В СЧ- и ВЧ-головках эффективные меры снижения ПИ следующие:

*увеличение демпфирования в диффузорах (вибропоглощающие покрытия, пропитки, спецматериалы и т.п.);

*увеличение жесткости диффузора правильным выбором формы образующей и распределением толщины диафрагмы.

Лекция 9. Громкоговорители

Вопросы: 1. Диффузорный электродинамический громкоговоритель.

2. Основные характеристики громкоговорителя.

3. Эксплуатация громкоговорителей.

Литература: 1.Ю.А. Ружицкий, А.А. Заикин, М.В. Карташова Электроакустические и усилительные устройства. М. Высш. школа., 1984 г.

2.А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

1. Диффузорный электродинамический громкоговоритель

Электродинамический громкоговоритель, являющийся завершающим звеном в тракте звуковоспроизведения киноустановки, предназначен для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в звуковые (рис. 1).

Громкоговоритель работает на принципе взаимодействия проводника с током и магнитного поля. Он состоит из магнитной системы, используемой для создания постоянного магнитного поля с высокой магнитной индукцией, и подвижной системы, предназначенной для преобразования электрических колебаний в звуковые.

Магнитная система включает постоянный магнит, нижний фланец с запрессованным в него керном и верхний фланец с отверстием в центре.

Подвижная система состоит из звуковой катушки, диффузора, являющегося излучателем, центрирующей шайбы, высокочастотного излучателя и пылезащитного колпачка. Детали подвижной системы жестко соединены между собой с помощью клея.

Постоянный магнит создает в кольцевом воздушном зазоре между керном и верхним фланцем однородное постоянное магнитное поле с высокой магнитной индукцией. В это магнитное поле помещают звуковую катушку, к которой с выхода усилителя подводят напряжение переменного тока звуковой частоты. В результате взаимодействия постоянного магнитного поля и звуковой катушки с током возникает электродинамическая сила, которая заставляет звуковую катушку колебаться с частотой подводимых электрических колебаний. Колебания звуковой катушки передаются диффузору, а от него колебания распространяются в окружающей воздушной среде и воспринимаются человеческим ухом в виде звука.

Познакомимся подробнее с отдельными узлами и деталями громкоговорителя.

Магнитная система громкоговорителя. По принципу создания постоянного магнитного поля различают магнитные системы с электрическим возбуждением или с постоянными магнитами.

В первом случае магнитное поле создается при пропускании постоянного тока через катушку возбуждения, состоящую из большого числа витков медного провода, а во втором -- за счет магнитной энергии, запасенной в постоянном магните (в качестве материала для постоянных магнитов в громкоговорителях применяется сплав алюминий, никель, медь и железо).

В современной аппаратуре применяют системы с постоянными магнитами, так как они обладают рядом преимуществ:

упрощается конструкция громкоговорителя и увеличивается надежность его работы;

отпадает необходимость в источнике постоянного тока для возбуждения и уменьшается расход электроэнергии;

отпадает необходимость в дополнительной линии для возбуждения.

Детали магнитопровода изготовляют из магнитомягких металлов, которые, обладая минимальными магнитными сопротивлениями, позволяют получать в кольцевом зазоре очень сильное магнитное поле (индукцию порядка 2 Тл).

Рис.1. Электродинамический диффузорный громкоговоритель: 1 -- постоянный кольцевой магнит, 2 -- нижний фланец, 3 -- керн, 4 -- верхний фланец, 5 -- диамагнитное кольцо, 6 -- звуковая катушка, 7 -- центрирующая шайба, 8 -- диффузор, 9 -- сферический колпачок, 10 -- высокочастотный излучатель, 11 -- пылезащитный колпачок, 12 -- выводы звуковой катушки, 13 -- диффузородержатель

При ремонте громкоговорителей следует иметь в виду, что магнитную систему с постоянными магнитами разбирать нельзя, так как после сборки системы величина магнитной индукции в зазоре резко уменьшается.

Подвижная система громкоговорителя (рис.2, а) Диффузор, являющийся излучателем звуковых волн, представляет собой конус, образующая которого имеет криволинейную форму (рис. 2, б). Диффузор изготовляют путем отливки и прессовки бумажной массы на специальных пресс-формах. У основания диффузора поверхности его гофрируются для придания необходимой гибкости в осевом направлении при сохранении большой жесткости в направлении, перпендикулярном оси.

В широкополосных громкоговорителях в узкую часть конуса диффузора вклеивают высокочастотный излучатель из плотной бумажной массы с пылезащитным колпачком, выполненным из редкой ткани, пропитанной влагостойким составом.

Рис. 2. Подвижная система громкоговорителя:

а - общий вид, б - диффузор, в -- звуковые катушки, г -центрирующие шайбы; 1- воротничок, 2 - гофр, 3 - катушка на бумажном каркасе, 4 - то же, на алюминиевом, 5 - фигурная шайба, 6 =то же, гофрованная.

Закрепление подвижной системы на диффузородержателе происходит по плоскому наружному кольцу диффузора. У вершины диффузора имеется цилиндрический воротничок, на который надевается звуковая катушка.

Звуковая катушка (рис. 2, в) представляет собой цилиндрический бумажный или незамкнутый алюминиевый каркас с намотанным на него медным (в специальных случаях алюминиевым) проводом и эмалевой изоляцией. Число витков и диаметр провода определяются конструкцией громкоговорителя и выходным сопротивлением усилителя, в комплекте с которым должен работать громкоговоритель.

Провод на звуковую катушку наматывают в несколько слоев, причем число слоев должно быть четным, чтобы концы выходили в одну сторону. При намотке каждый слой тщательно приклеивают специальным клеем (нитроклей) для того, чтобы во время работы витки не сползали с каркаса. Обычно сопротивление звуковой катушки равно 12--15 Ом.

Воздушный зазор в алюминиевом каркасе уменьшает вихревые токи и, следовательно, нагрев катушки.

При колебаниях звуковая катушка не должна задевать ни за керн, ни за фланец, так как это может вызвать повреждение изоляции витков, их сползание, замыкание или обрыв, а также дребезжание громкоговорителя.

Для закрепления звуковой катушки в центре кольцевого зазора используется центрирующая шайба. При этом она должна допускать свободные перемещения катушки в осевом направлении, но обладать большой упругостью в направлении перпендикулярном оси. Этими требованиями и обусловлено своеобразие форм центрирующих шайб (рис. 2, г).

Центрирующие шайбы изготовляют из тонкого текстолита или бакелизированной ткани. На их поверхности делают фигурные вырезы или концентрические канавки -- гофры. Гофрированные шайбы, изготавливаемые из материи, пропитанной бакелитовым лаком, с течением времени теряют свои свойства и, кроме того, часто увеличивают нелинейные искажения, вносимые громкоговорителем. Поэтому в новых конструкциях громкоговорителей центрирующие шайбы выполняют из тонкого текстолита. Центрирующую шайбу приклеивают к цилиндрическому воротничку диффузора чуть ниже звуковой катушки.

Сферический колпачок изготовляют из бумаги или дюралюминия и приклеивают к диффузору около его вершины. Колпачок увеличивает механическую прочность звуковой катушки, предохраняет кольцевой воздушный зазор от засорения и увеличивает отдачу громкоговорителя на верхних частотах. Если учесть, что на верхних частотах колеблется не весь диффузор, а только область, находящаяся в непосредственной близости от его вершины, из-за чего уменьшается площадь излучаемой поверхности и, следовательно, отдача громкоговорителя на верхних частотах, сферический колпачок играет положительную роль, увеличивая площадь излучающей поверхности и таким образом частично устраняя этот недостаток.

Головка громкоговорителя.

В подавляющем большинстве как зарубежных АС, так и производства стран СНГ по-прежнему используются головки электродинамического типа. Остальные типы головок, используемые рядом зарубежных фирм (электростатические -- английская фирма Quad, изодинамические -- американская фирма Infinity, пьезоэлектрические -- японских фирм Pioneer и Acculab, а также французской фирмы Audax, излучатели Хейла -- американская фирма Ess, плазменные -западногерманская фирма Magnat и американская фирма Plasmatronics и др.) относят к нетрадиционным. Диностатические и электростатические головки в одной из последних разработок голландской фирмы Final Electrostatic выполнены в виде трех продольных сегментов длиной более 1,5 м, причем излучение высоких частот производится только средним. Это способствует излучению ВЧ-составляющих в виде цилиндрической звуковой волны, т.е. с широкой диаграммой направленности, что благоприятно сказывается на передаче пространственной атмосферы концертного зала.

Остановимся более подробно на наиболее распространенных головках электродинамического типа. Конструкции громкоговорителей приведены на рис.3 (100ГД-1 на рис. 3.а; ЗОГД-8 на рис. 3.б и 10ГД-43 на рис.3.в).

К сожалению, динамические головки далеко не идеальны. Kaк одно целое (как поршень) диффузор колеблется только в ограниченной области частот (для НЧ-головок примерно до 300...400 Гц), на средних и высших частотах различные участки диффузора колеблются с разными амплитудами и фазами. Инертность подвижной системы и связанной с ней массы воздуха препятствует мгновенному нарастанию скорости при приложении силы и не дает ей остановиться сразу. Индуктивность катушки также препятствует как мгновенному возрастанию тока от нуля до какого-то конечного его значения при включении источника напряжения, так и спаданию тока до нуля сразу же при выключении напряжения. В сочетании с особенностями демпфирования это приводит в большей или меньшей степени к появлению пиков и провалов в частотной характеристике.

Очевидно, об эффективности электрического демпфирования можно говорить только в области поршневого действия диффузора, т. е на низших частотах. На средних частотах (в области наибольшей чувствительности слуха) жесткое демпфирование только ухудшает качество звучания, приводя к дополнительным призвукам (подобно щелчку кнута пастуха или дребезги пластины, защемленной на конце палки и резко опущенной на твердый предмет).

Рис. 3. Конструкция громкоговорителей:

а) низкочастотного (1 - подвес, 2 - диффузор, 3 - противопыльный колпачок, 4 - корпус, 5 -центрирующая шайба (бабочка), 6 - звуковая катушка, 7 - керн с отверстием, 8 - замыкающий фланец, 9 - кольцевой постоянный магнит); б) среднечастотного (1 - диффузор, 2 - сетка. 3 -медный колпачок, 4 - верхний фланец, 5 - кожух, 6 -- звуковая катушка, 7 - вкладыш, 8 - шайба, 9 - подвес, 10 - нижний фланец, 11 - магнит, 12 - керн); в) высокочастотного (1 -диффузор, 2 - звукопоглощающий материал, 3 - медный колпачок, 4 - концентратор, 5 - верхний фланец, 6 - магнит, 7 - керн, 8 - нижний фланец, 9 - декоративная крышка).

Наиболее наглядно это проявляется в усилителях с отрицательным выходным сопротивлением, где во избежание металлических призвуков приходится ограничивать область действия ПОС по току частотой около 300 Гц.

Некоторое демпфирующее действие на громкоговоритель оказывает также сопротивление излучения. Степень этого демпфирования зависит от акустического оформления громкоговорителя.

Подвесы и шайбы

В области низких частот большую роль играют конструктивные и физико-механические параметры гофрированных шайб. Подвесы тороидальной формы (вогнутые, выпуклые) позволяют обеспечить более низкую резонансную частоту и большие амплитуды смещения, чем синусоидальные, поэтому они широко применяются в головках компрессионного типа для закрытых АС. Подвесы S-образной формы (например, 100ГД-1) обеспечивают большую симметричность упругих характеристик на более низких частотах, чем тороидальные. В последние годы в СЧ-головках получили широкое распространение тангенциальные подвесы с гофрами в виде трехгранных пирамид, благодаря своим преимуществам перед синусоидальными, -- более линейные характеристики упругости, от которых во многом зависят нелинейные искажения и форма АЧХ. Из материалов используют: различные резиновые смеси (в т.ч.; бутиловая резина), прорезиненные ткани, пластифицированные по-ливинилхлориды, пенополиуретаны, латекс и т.д.

Для центрирующих шайб в основном применяют традиционные хлопчатобумажные ткани типа миткаль. Для мощных НЧ-голово1( используют акриловые или тефлоновые ткани с металлическими нитями для повышения теплоотвода от катушки.

Диффузоры

Материалы диффузоров должны иметь большую жесткость на изгиб, малую плотность и большие внутренние потери. Чем выше жесткость, тем шире частотный диапазон головки и тем меньше вносимые головкой АЧИ. Плотность материала в значительной степени определяет чувствительность головки, а внутренние потери способствуют демпфированию на резонансных частотах.В качестве материала диффузоров широко используются следующие материалы: бумага типа Caibocon с углеродными волокнами различные полимерные пленки (майларовая, полиамидная, полипропиленовая, поливинилхлоридная, олефиновая), различные полимеры с графитовым наполнителем, вспененные пластмассы и металлы (никель, окись титана и др.), многослойные материалы (типа bextren фирмы KEF, Англия) из слоев разной жесткости, сотовые конструкционные материалы (преимущественно для плоских диффузоров).

Основная особенность последних разработок заключается в применении для диффузоров не традиционной целлюлозно-бумажной массы, а специально созданного для этих целей пленочного полимерного материала на основе полипропилена и полиэтилена низкого давления, что позволяет использовать для их производства высокопроизводительные процессы, такие как, горячее прессование из листа или литье под давлением. Такие материалы обладают и рядом преимуществ: выше жесткость на изгиб, больше внутренние механические потери, более стойки к воздействию внешней среды, что исключает необходимость всевозможных пропиток, что в свою очередь гарантирует стабильность параметров и упрощает техпроцесс изготовления.

Развитие технологии вакуумного напыления позволило создать ряд слоистых материалов: титан-карбид бора, алюминий-магний, алюминий-сапфир и др.

Разработчики динамических головок постоянно ищут новые технические решения, новые материалы для диффузоров. Например, некоторые фирмы делают диффузоры НЧ-головок из титана или алюминия со специальным покрытием (например, напыление тонкого слоя керамики), уменьшающим паразитные изгибные - колебания. Кроме того, металлическая диафрагма служит тепловым радиатором для рассеивания накапливаемой в катушке тепловой энергии, снижает таким образом эффект термальной компрессии сигнала и позволяет использовать мощные усилители без опасения «сжечь» динамики. Охлаждению катушки способствует и дюралевая разрезная (для исключения короткозамкнутого витка) гильза. Такие диффузоры имеют оптимальное отношение массы к жесткости и хорошие демпфирующие свойства. Металлическая мембрана дает абсолютно идентичное излучение в прямом и обратном направлениях, что особенно важно в фазоинверсном оформлении, и эффективно поглощает волны, отраженные от стенок корпуса.

Другие фирмы используют так называемый «велюровый» кевлар -- сплетенную специальным образом из кевларового волокна основу, пропитанную специальными полимерными смолами с графитовым напылением. Находят применение и жесткие полимеры, призванные снизить изгибные колебания «поршня». Например, полипропилен с графитовым или слюдяным наполнителем, а также гиперолефиновый полимер с никелевыми добавками.

Швейцарская компания Precide SA выпустила новые АС, в которых использован запатентованный ленточный СЧ-ВЧ излучатель в виде «гармошки», которая имеет следующие достоинства:

высокая чувствительность, 93 дБ/Вт^|/2 м;

диаграмма направленности 180°;

исключительная легкость, что позволяет передавать без искажений самые сложные сигналы.

Бумажные диффузоры сохраняют поршневой характер движения только до частот 300...400 Гц, в то время как сотовые (слоеная конструкция) из алюминиевой фольги и тканей с углеродистыми волокнами сохраняют поршневой характер движения вплоть до 2 кГц. Головки с сотовыми диафрагмами имеют более широкий диапазон воспроизводимых частот при неравномерности ±1,5 дБ. Плоская поверхность сотовых излучателей не требует принятия специальных мер для выравнивания центров излучения, что упрощает конструкцию АС.

Легендарные высокочувствительные широкополосные динамики LOWTHER помимо основного диффузора имеют дополнительный диффузор в виде раскрывающегося конуса с углом раскрыва около 70° для лучшего воспроизведения ВЧ-частот. Заостренный куполообразный колпачок из чистой меди выполняет четыре функции:

* фазовый выравниватель;

¦ пылезащитный колпачок;

отводит тепло от катушки и магнитной системы;

является продолжением медных колец, служащих частью магнитной системы и замыкающих вихревые токи, уменьшая искажения сигнала.

Диффузоры СЧ-головок помимо кевлара делают из специального материала FRP (Fiber Reinforced Plastic), усиленного стекловолокном, а также из материала HOP (High Oriented Polyolefin), обладающего чрезвычайно высокой жесткостью и прочностью и в то же время имеют очень малый удельный вес, что позволяет им быстро реагировать на импульсные воздействия. Воспроизводят чистый и естественный звук.

Стекловолокно в качестве диффузора СЧ-головок не только легче обычно используемого полипропилена и бумаги, но и имеет лучшие характеристики внутреннего демпфирования, что исключает окрашивание звука. Высокой степенью внутреннего демпфирования обладают и диффузоры из литого под давлением магния -- исключительно легкого и стойкого материала. Диффузоры СЧ-головок делают также из карбона, карбоно-кевлара, обладающих высокой стойкостью к изгибным колебаниям в области средних частот, приводящим к окраске звучания, а также из специального материала ABS, обладающего высокой вязкостью и относительно большой жесткостью.

Куполообразные диафрагмы СЧ и ВЧ-головок делают и просто из металлов: алюминия, титана, бериллиевых сплавов, пористого никеля. Алюминиевые купола ВЧ-головок делают за одно целое с гильзой звуковой катушки, что в совокупности с магнитной жидкостью в зазоре обеспечивает эффективный теплоотвод. Для повышения отдачи и снижения искажений, как правило, купола работают на короткие экспоненциальные рупоры. Для придания «верхам» мягкости купол твиттера (ВЧ-головки) ткут из шелка, а также делают из вязкого титана, анодированного алюминия или из триламината -- материала, в котором сочетаются тончайшие слои, стали, алюминия и эластичного полимера. Благодаря этому динамик не имеет характерных для чистого алюминия резонансов.

Мягкий купольный твиттер компании Acoustic Research с мембраной из сверхлегкого материала Aerofoam придает звучанию удивительную чистоту и воздушность. Под куполом СЧ- и ВЧ-головок в подмембранном пространстве располагают звукопоглощающий материал типа ATM, минеральная вата и др. Оригинальная конфигурация динамиков Focused Array позволяет значительно расширить область излучения при удивительно ровном и сбалансированном звучании в любой точке прослушивания. Акустический экран уникальной конструкции Energy Control Contour из вспененного материала неодинаковой плотности управляет распределением звуковой энергии твиттер в зоне прослушивания, повышает выход высоких частот и способствует более естественному их звучанию.

Фирма Таппоу в подавляющем большинстве своих разработок использует коаксиальные широкополосные головки, что позволяет eй добиться однородности частотных характеристик акустической мощности, симметрии характеристик направленности и снижения переходных искажений.

Для расширения характеристик направленности ВЧ-головок используют различные конструкции акустических линз и концентраторов.

Катушки

Применение плоского провода для звуковой катушки увеличивает плотность намотки на 32%, что позволяет уменьшить ее высоту, расположив катушку в центре равномерного магнитного потока.

С целью повышения чувствительности и снижения веса провода звуковых катушек твиттеров делают из плоского серебра или алюминия. Охлаждение катушек феррожидкостью (магнитный коллоидный раствор из ферромагнитных частиц меньше 1 мкм в термостойких минеральных маслах) одновременно осуществляет механическое демпфирование.

В качестве материала для каркасов применяют термостойкую кабельную бумагу, алюминиевую фольгу, материал типа Nomex, керамику, полиамидную пленку.

Для уменьшения искажений, вызываемых неравномерностью магнитного потока, используют короткозамкнутые медные колпачки на керне, фигурные полюсные наконечники и другие конструктивные особенности магнитных цепей. Уменьшение длины катушки и увеличение протяженности магнитного зазора или напротив, увеличение длины катушки значительно больше протяженности магнитного зазора в НЧ-головках, способствует уменьшению искажений, связанных с неоднородностью магнитного поля. НЧ-головки, предназначенные для работы в сабвуферах, часто делают с двумя звуковыми катушками, что упрощает суммирование сигналов.

Чтобы небольших размеров диффузоры НЧ-головок могли работать в малом объеме, их снабжают необычайно мощной магнитной системой, и даже при максимальном ходе диффузора (20мм и более) звуковая катушка находится в равномерном магнитном Поле. Мощнейшие магниты делают из нового сплава TICONAL (титан, кобальт, никель и алюминий). Применение системы двойных магнитов обеспечивает особо высокую равномерность магнитного поля в зазоре. Находят применение и ниодимовые магниты.

Обычные купольные «пищалки» из-за большой массы подвижных частей эффективно работают лишь до частот 30...40 кГц. Развитие новых аудиоформатов SACD и DVD-Audio (24 бита, 192 кГц) с применением «аналогоподобной» DSD-кодировки позволило расширить полосу записываемых и воспроизводимых частот вплоть до 100 кГц, что потребовало и соответствующего расширения воспроизводимых АС частот. Например, в AC SS-M9ED (Sony) применен твиттер с легким куполом из углекерамики. В отличие от традиционной схемы, когда в постоянном поле перемещается катушка с переменным током, в этой головке вместо звуковой катушки есть только один короткозамкнутый виток (алюминиевое кольцо), который перемещается в переменном магнитном поле, которое создает неподвижная катушка, намотанная на керне. Такое техническое решение позволило расширить полосу эффективно воспроизводимых частот до 100 кГц. Электростатический излучатель используют в качестве ВЧ-головки фирмы Martin Logan Limited и Mark Levinson (США). К статорам преобразователя подводится поляризующий потенциал, вырабатываемый встроенным преобразователем высокого напряжения. Высокое напряжение модулируется звуковым сигналом от обычного УМЗЧ. Изменяющийся электрический потенциал обкладок статора воздействует на пленочную диафрагму, все точки поверхности которой {в отличие ad классических поршней диффузоров) перемешаются одновременно. Рабочий диапазон от 180 Гц до 20 кГц и выше. Благодаря больший размерам (460x1220 мм) квазиплоская мембрана формирует плоскую волну непосредственно у источника, которая мало ослабевает при распределении. Звук большой, масштабный и совершенно воздушный.

Достоинства -- малые нелинейные и интермодуляционные искажения. Недостаток -- узкая направленность по горизонтали.

2. Основные характеристики громкоговорителя

Основными величинами, характеризующими работу громкоговорителя как преобразователя энергии, являются: номинальная мощность; полное электрическое сопротивление; диапазон эффективна воспроизводимых частот; КПД; чувствительность; направленность; частотная характеристика; нелинейные искажения.

Номинальной мощностью громкоговорителя называется мощность переменного электрического тока, которую громкоговоритель может преобразовать в звуковые колебания без искажений, превышающих допустимые. Подведение к громкоговорителю номинальной мощности в течение длительного времени не должно вызывать в нем никаких повреждений.

Неисправности громкоговорителя могут быть вызваны относительно большими механическими усилиями, возникающими при его работе, или перегревом звуковой катушки при прохождении электрического тока.

В процессе воспроизведения звука может случиться, что подводимая к громкоговорителю мощность больше номинальной. Например, в кинофильмах с эпизодами боев при воспроизведении звука залпов мощность во много раз выше номинальной, обеспечивающей нормальную громкость обычных звуков -- разговора, музыки. Поэтому громкоговоритель должен обладать способностью в течение короткого времени выдерживать значительное увеличение мощности. Наибольшую мощность, кратковременно выдерживаемую громкоговорителем, называют пиковой.

Номинальная мощность указывается в паспорте громкоговорителя и выражается в вольт-амперах (В-А).

Входным или полным электрическим сопротивлением R_ВХ громкоговорителя называют его сопротивление переменному току.

Входное сопротивление необходимо знать для правильного согласования выходного каскада усилителя с громкоговорителем. Оно зависит от частоты воспроизводимого сигнала (с увеличением частоты сопротивление увеличивается). Полное электрическое сопротивление громкоговорителя выражается в Омах и указывается в паспорте громкоговорителя на частоте 400 Гц.

Диапазон эффективно-воспроизводимых частот, или номинальный диапазон частот, определяется границами низкой f_Н и высокой f_B частот звукового диапазона, в пределах которых громкоговоритель работает с номинальной мощностью. В номинальном диапазоне частот измеряются и регламентируются все другие параметры громкоговорителя. Этот диапазон указывается в паспорте громкоговорителя.

Среднее звуковое давление, развиваемое в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к зажимам громкоговорителя напряжения, соответствующего подводимой электрической мощности 0,1 Вт, называют средним стандартным звуковым давлением.

Среднее звуковое давление вычисляют как среднеквадратичное значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот заданной точки свободного поля (т. е. усредняют значения звукового давления, измеренного на частотах, распределенных равномерно в логарифмическом масштабе).

Рабочий центр в каждой разновидности громкоговорителей находится в определенном месте:

для головок прямого излучения (диффузорных) -- в точке геометрического центра симметрии излучающего отверстия данной головки;

для громкоговорителя, состоящего из нескольких разнотипных (низко- и высокочастотных) излучающих головок,-- в точке геометрического центра симметрии излучающих отверстий только высокочастотных головок;

для рупорных громкоговорителей -- в точке геометрического центра симметрии излучающего (выходного) отверстия рупора.

Рабочей осью называется ось симметрии излучающей поверхности громкоговорителя. Для однополосных громкоговорителей ось симметрии совпадает с их геометрической осью, для двухполосных -- с осью высокочастотного рупорного громкоговорителя.

Коэффициент полезного действия громкоговорителя представляет собой отношение акустической мощности к подводимой электрической мощности. Коэффициент полезного действия обозначается греческой буквой Ю (эта) и выражается в процентах

Ю =(P_AK /P_ЭЛ )100 %.

Коэффициент полезного действия громкоговорителя показывает, какая часть подводимой электрической мощности превращается в мощность акустическую. У громкоговорителя коэффициент полезного действия невысок -- около нескольких процентов. Точное определение кпд затруднительно, так как требует специальных условий и сложной аппаратуры. Поэтому на практике эффективность преобразования оценивается другой величиной, называемой чувствительностью.

Чувствительность громкоговорителя определяется как отношение звукового давления Р, создаваемого громкоговорителем, к напряжению, подводимому к зажимам громкоговорителя.

В связи с тем, что звуковое давление, создаваемое громкоговорителем в той или иной точке пространства, зависит от расстояния до нее и угла между направлением на точку и осью громкоговорителя, чувствительность принято определять для точки, расположенной на расстоянии 1 м от него. Однако чувствительность характеризует процесс преобразования недостаточно определенно.

Рассмотрим случай, когда два громкоговорителя обладают одинаковой чувствительностью, но их звуковые катушки имеют различные сопротивления. Так как чувствительности громкоговорителей одинаковы, то из выражения E = PIU следует, что при равенстве давлений, создаваемых этими громкоговорителями, будут равны и напряжения, подводимые к звуковым катушкам (U₁ =U₂ =P/E).

Подсчитаем, какую электрическую мощность будет потреблять каждый из громкоговорителей. Для ясности условимся, что сопротивление звуковой катушки одного громкоговорителя равно R, а другого в два раза больше -- 2R. Потребляемая электрическая мощность определяется по формуле P = U²/R. Подставив в эту формулу значения сопротивлений звуковых катушек громкоговорителей, мы легко убедимся, что первый громкоговоритель (сопротивление которого меньше) потребляет вдвое большую мощность, чем второй. Значит, первый работает менее эффективно, несмотря на равенство чувствительностей. По величине чувствительности можно сравнивать только громкоговорители с равными сопротивлениями звуковых катушек.

Для сравнения громкоговорителей с различными сопротивлениями звуковых катушек введена величина, называемая абсолютной или характеристической чувствительностью. Характеристическая чувствительность определяется отношением среднего звукового давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности.

Для промышленных типов громкоговорителей характеристическая чувствительность колеблется от 15 до 35--40 единиц, она и служит характеристикой эффективности громкоговорителей.

Характеристика направленности представляет собой зависимость звукового давления Р_?, развиваемого громкоговорителем в данной точке свободного поля (из числа точек, находящихся на одинаковом расстоянии от рабочего центра), от угла ? между рабочей осью громкоговорителя и направлением из рабочего центра на данную точку. Исследования и теоретические вычисления показывают, что направленность громкоговорителя зависит от отношения диаметра громкоговорителя к длине излучаемой волны. Направленность увеличивается с повышением частоты, что заставляет принимать специальные меры для равномерного распределения звуковой энергии по всей площади зрительного зала.

Под частотной характеристикой громкоговорителя понимают зависимость создаваемого звукового давления от частоты.

Частотные характеристики, которые снимают при постоянном напряжении на зажимах громкоговорителей, позволяют сравнивать качественные показатели громкоговорителей различных конструкций. Частотные характеристики громкоговорителей могут быть построены как для звукового давления, так и для чувствительности.

Нелинейные искажения, возникающие при воспроизведении звука, проявляются в виде дребезжания, хрипоты и неразборчивости речи, резко ухудшающих качество звуковоспроизведения. Нелинейные искажения связаны с нарушением линейной зависимости между смещением диффузора и током в звуковой катушке. Эти искажения незначительны на средних и верхних частотах, но увеличиваются на нижних, так как амплитуда колебаний диффузора резко возрастает. Определение нелинейных искажений, возникающих в громкоговорителе, представляет собой сложную задачу, поэтому вносимые нелинейные искажения обычно определяют на слух. Хорошим громкоговорителем считается тот, в котором при номинальной мощности искажения не заметны на слух.

Нелинейные искажения резко возрастают при подведении к громкоговорителю мощности больше номинальной. Электродинамические диффузорные громкоговорители получили широкое распространение, однако качественные показатели их невысоки. Основным недостатком диффузорных громкоговорителей является очень низкий коэффициент полезного действия и относительно большая неравномерность частотных характеристик.

При работе громкоговорителя диффузор совершает колебания с различными амплитудами, соответствующими току, проходящему через звуковую катушку громкоговорителя. При движении диффузора воздух перед ним сжимается и разрежается позади него, в результате чего создаются звуковые волны. Однако звуковые волны от передней и задней сторон диффузора различаются по фазе на 180°, что соответствует половине длины волны (л/2). Поэтому, если в точку пространства, где производится прослушивание звука, придут обе волны, прямая и огибающая, то, накладываясь одна на другую, они взаимно почти уничтожатся, в результате чего звук будет резко ослаблен. Такой эффект называют акустическим коротким замыканием.

Акустическое короткое замыкание проявляется только в области низких звуковых частот (приблизительно до 100 Гц), при которых размеры диффузора малы по сравнению с длинами волн.

Чтобы устранить крайне нежелательное явление интерференции волн низших частот от передней и задней сторон диффузора, применяют различные виды акустического оформления громкоговорителей: щит или акустический экран, открытый или закрытый ящик, фазоинвертор.

Способы изменения параметров

Частота основного резонанса подвижной системы может быть повышена в 1,5...2 раза путем смазывания центрирующей шайбы раствором 5...10% лака ЦАПОН или раствором целлулоида в ацетоне.

Понизить частоту основного резонанса можно путем утяжеления подвижной системы, например, приклеив в качестве пылезащитного колпачка донышко от баночки из-под пива «Балтика» (или другой, например, от «Пепси» и т.п.), предварительно вырезав из него круг подходящего диаметра. Круг диаметром 45 мм, приклеенный головке 25ГДН-3-4, кроме того, придает ей эффектный вид. В то время, для головки 25ГДН-1-4 колпачок такого диаметра несколько тяжеловат, для нее необходимо уменьшать диаметр колпачка до 38.. .40. Второй способ снижения частоты резонанса в 1,2.-2 раза заключается уменьшении жесткости крепления подвижной системы, в частности, с помощью радиальных вырезов (до 50% площади) в центрирующем диске с гофрами. С этой же целью часто используют и сдвоенные головки размещенные соосно. Такое решение увеличивает диапазон работы головки в поршневом режиме, что улучшает переходные характеристики способствует уменьшению интермодуляционных и других видов искажений -- внешняя головка как «мастер» выполняет чистовую работу, внутренняя головка как «помощник», -- черновую, неравномерного звукового давления внутри корпуса АС воздействует только на нее. Существует 2 способа крепления: «лицом к лицу» и «лицом к затылку». Объем воздуха, заключенный между головками, должен быть тщательно загерметизирован, например, с помощью пластилина. Электрическое соединение может быть выполнено как последовательно, так и параллельно в зависимости от необходимого полного сопротивления.

Расширить эффективный рабочий диапазон частот в обе стороны можно путем вклеивания на торец звуковой катушки небольшого куска с углом раскрыва около 70° из тонкой плотной бумаги, пропитан» 3-5% раствором лака ЦАПОН в ацетоне. Правильно подобранный конус может обеспечить расширение номинального диапазона воспроизводимых частот на I...2 октавы. Аналогичный эффект, например, для головок 10ГДН-1-4 (6ГД-6), 25ГДН-1-4 (10ГД-34) можно получить приклеиванием поверх пылезащитного колпачка половинки теннисного шарика.

Кроме приклеивания купола, внешнюю часть диффузора (примерно шириной около 2/3 образующей диффузора считая от подвеса) с тыльной стороны (с лицевой нельзя) промазывают сметанообразным раствором полиизобугилена с добавлением 25...30% герлена в бензине. В результате указанной доработки несколько снижается резонансная частота головки, расширяется диапазон воспроизводимых частот в обе стороны, снижается неравномерность частотной характеристики и все виды искажений, особенно на средних частотах, т.е. в области наибольшей чувствительности слуха.

Для расширения эффективно воспроизводимых частот головки 20ГДС-1 до 7.-8 кГц в одном из журналов «Радио» была предложена доработка, заключающаяся в переворачивании пылезащитного колпачка на 180°. Для этого с помощью пипетки смачивают ацетоном клеевой шов колпачка и после размокания клея отделяют колпачок от диффузора, поддев его острым предметом (кончиком ножичка или шилом). Приклеивают загустевшим клеем «Момент»

Повысить жесткость диффузора вблизи звуковой катушки и тем самым улучшить воспроизведение высших частот можно, покрыв поверхность диффузора радиусом 4.-7 см от звуковой катушки клеем КТ-30 или МСН-7, разведенным в бензоле или толуоле. После высыхания этот клей обладает твердостью порядка 0,9 твердости стекла. Увеличить мощность и звуковое давление можно путем приклеивания второго такого же или близкого по размеру кольцевого магнита такой стороной, чтобы чувствовалась отталкивающая, а не притягивающая сила. Таким образом, можно увеличить магнитную индукцию в зазоре на 10.-25%.

Уменьшить неравномерность частотной характеристики можно путем промазывания гофрированных подвесов и диффузоров демпфирующими смазками (если это не предусмотрено технологическим процессом при их изготовлении). Для этой цели используют различные резиноподобные вещества, например, полиизобутнлен, герлен и другие. Удовлетворительные результаты можно получить также при применении 50-70% раствора касторового масла в ацетоне. Таким способом можно уменьшить неравномерность частотной характеристики на 2.-5 дБ. Указанную доработку следует проводить при вставленной в зазор свернутой в кольцо полоски из кинопленки. Во избежание сужения полосы воспроизводимых частот сверху пропитку подвеса и диффузора (кроме центральной части) герленом необходимо производить не с лицевой, а с внутренней стороны Такие купольные ВЧ-головки, как ЗГД-47 (4ГДВ-1), 8ГДВ-2 др., также нуждаются в доработке. Их необходимо разобрать и поместить в подкупольное пространство минеральную вату. После доработки призвуки и переходные искажения заметно уменьшаются. Иногда этой меры оказывается недостаточно и тогда приходится шунтировать ВЧ-головку последовательным колебательным контуром, настроенным на частоту основного резонанса.

О снятии характеристик динамических головок и их доработках, 1 частности, с помощью панели акустического сопротивления (ПАС), можно подробно ознакомиться в [52]. Один из вариантов ПАС -- заклеивании окон диффузородержателя СЧ-головки войлоком толщиной 4 мм.

3. Эксплуатация громкоговорителей

Соблюдение основных правил эксплуатации громкоговорителей улучшает качество звуковоспроизведения и обеспечивает безаварийную работу киноустановки, а своевременный ремонт восстанавливает их работоспособность. Осмотр выполняют при получении нового комплекта, после транспортировки, а также после 3--4-месячпого срока эксплуатации. При осмотре обращают внимание на отсутствие внешних повреждений и проверяют качество электрических контактов. Особенно тщательно контролируются контакты в общих зажимах двухполосных громкоговорителей, при нарушении которых низкочастотные и высокочастотные головки оказываются включенными последовательно, что приводит к уменьшению выходной мощности и резкому увеличению частотных и нелинейных искажений. При установке громкоговорителей необходимо соблюдать следующие правила: в случае применения перфорированных экранов громкоговорители размещаются за экраном, неперфорированных -- по бокам экрана; громкоговорители рекомендуется устанавливать на уровне 0,75 высоты экрана (3/4 высоты).