Файл: Акустические системы, громкоговорители, стереотелефоны Термины и определения. Классификация.doc

СОДЕРЖАНИЕ

Акустические системы, громкоговорители,

стереотелефоны

Термины и определения. Классификация

Основы устройства акустических систем и громкоговорителей

Головки громкоговорителей. Основы устройства Классификация громкоговорителей (или «головок гром­коговорителей») может быть произведена по различным признакам: по принципу действия; способу излучения; полосе передаваемых частот; форме диафрагмы; области применения и т.д. Рис.6.1-внешний вид АС.По принципу действия(т.е. способу преобразования электрической энергии в акустическую.)громкоговорители могут быть подразделены на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пъезопленочные), плазменные и др.Наибольшее промышленное применение имеют электродинамиче­ские громкоговорители, определяемые как «преобразователи, действие которых основано на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током»[1].Электродинамические громкоговорители могут быть реализованы в нескольких вариантах: катушечные, ленточные и изодинамические. Рис.6.2-Основные элементы конструкцииКатушечные громкоговорителииспользуют цилиндрическую катуш­ку с намотанным проводником, помещенную в магнитное поле, при движении которой приводится в ко­лебания жестко скрепленная с ней диафрагма. Основы устройства электродинамического катушечного громкогово­рителя показаны на рис.6.2. Громкоговоритель состоит из трех частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя. Подвижная система включает в себя подвес 2, диафрагму (кониче­скую или купольную) 3, центрирующую шайбу 4, пылезащитный кол­пачок 5, звуковую катушку 6, гибкие выводы 7. Звуковая катушка пред­ставляет собой цилиндрический каркас с намотанным в несколько слоев (обычно в два слоя ) изолированным проводником. При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи , на нее будет действовать механическая сила F=BLI, где В - индукция в ра­бочем зазоре, L - длина проводника, I - сила тока. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Центрирующая шайба представляет собой гофрированную мембрану, которая обеспечивает центровку звуковой катушки в зазоре, препятствует ее крутильным колебаниям, но позволяет ей совершать осевые колебания, поэтому центрирующая шайба должна обладать большой гибкостью в осевом на­правлении и малой в радиальном и кольцевом. Подвес — кольцевая, обычно гофрированная оболочка, позволяющая диафрагме совершать осевые колебания ,и предохраняющая ее от крутильных колебаний, т.е. она также должна обладать большой гибкостью в осевом направлении и малой в кольцевом и радиальном. Диафрагма представляет собой упругую оболочку ,форма которой может быть конической, сферической, плоской и др. Под действием меха­нической силы со стороны звуковой катушки диафрагма совершает колебания, кото­рые создают звуковые вол­ны в окружающей среде. Пылезащитный колпачок- купольная или плоская пластинка, предох­раняющая зазор магнитной цепи от попадания пыли, и одновременно явля­ющаяся ребром жесткости для диафрагмы. Гибкие выводы - проводники, соединяющие выводы звуковой катуш­ки с присоединительными клеммами громкоговорителя. Магнитная цепь выполняется обычно в трех вариантах (рис.6. 3) - коль­цевая с ферритовыми магнитами (а), керновая с литыми магнитами (б) и кольцевая с литыми магнитами (в). Элементами магнитной цепи являются: магнит в виде кольца или керна, верхний-2- и нижний-3- фланцы, стакан или скоба –4-, керн –5-, полюсный наконечник –6-. Постоянный магнит создает постоянный магнитный поток, замкнутые силовые линии которого пере­секают цилиндрический воздушный зазор между верхним фланцем и керном в радиальном направлении. Диффузородержатель (8) служит для объединения магнитной цепи и подвижной системы и обеспечивает возможность закрепления громкогово­рителя в корпусе АС, с которым он предназначен работать. Каждый из элементов подвижной системы и магнитной цепи ока­зывает свое влияние на выходные характеристики громкоговорителя и его качество звучания . Рис.6.4-а-принцип устройства ленточного громкоговорителя иб-излучателя Хейла.- Ленточные громкоговорители, используют тонкую металлическую ленточку, которая помещается в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и про­водником тока и колеблющимся излучающим элементом (рис. 6.4). Изодинамические громкоговорители (ортодинамические, излучатели Хейла) применяют в качестве излучающего элемента тонкую мембрану из диэлектрической пленки, на которую методом травления или напыления наносится провод­ник в виде прямоугольной или крутой спирали (рис.6.5). Разновидностью изодинамического громкоговорителя является излучатель Хейла, отличаю­щийся тем, что в качестве излучающего элемента используется гофриро­ванная мембрана из диэлектрической пленки с проводником специальной формы. Нанесение гофрировки увеличивает КПД громкоговорителя. Наибольшее распространение среди громкоговорителей не электроди­намического типа получили электростатические громкоговорители.Электростатические громкоговорители используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки толщиной порядка б... 10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая ме­таллизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электрода­ми приложено высокое поляризующее напряжение порядка 6...10 кВ. Пере­менное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеб­лется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа выпускаются целым рядом фирм Quad, ESS и др., они обес­печивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переход­ных искажений и достаточно широко применяются в аппаратуре HI-FI и студийных агрегатах.(рис.6. 6). Рис.6.5-принцип устройства изодинамического громкоговорителя Рис.6.6-принцип устройства электростатического громкоговорителя Рис.6.7-Принцип устройства пъезопленочного громкоговорителя.Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве воз­буждающего элемента в них применяется биморфный элемент, получен­ный путем соединения двух пластин из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформа­ции, которые передаются соединенной с ним диафрагме. Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пъезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым с помощью специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук рис.6.7 (для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи). Кроме этих известны разработки и других типов громкоговорителей (плазменных , пневматических, цифровых и др.),но они используется в очень ограниченных объемах.=По способу излучения акустической энергии: громкоговоритель, у которого диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, называется громкоговорителем прямого излучения. Если диафрагма излучает звук через рупор и предрупорную камеру, то это узко­горлый рупорный громкоговоритель. Если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.=По полосе передаваемых частот: способ конструирования и технология производства громкоговорителей существенно различаются в зависимости от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на широкополосные; низко­частотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40Гц…500-1000 Гц);среднечастотные (диапазон 0,3-0,5 кГц...5-8 кГц); высокочастотные (1-2 кГц...16-30 кГц) и др.=По форме диафрагмы:в качестве диафрагмы у громкоговорителей могут использоваться оболочки различной формы- конус (прямолинейный или криволиней­ный), купол (выпуклый или вогнутый), плоский диск или кольцевой сег­мент. В зависимости от этого громкоговорители разделяются на конусные, купольные и т. д.=По области применения: в зависимости от области применения параметры громкоговорителей и их конструкция значительно различаются (например, громкоговорители для телевизоров, приемников, студийной, концертно-театральной аппаратуры и т.д.). Таким образом, примерами полного наименования громкоговорите­лей могут служить следующие:75ГДН-01 - электродинамический катушечный конусный низкоча­стотный громкоговоритель с паспортной мощностью 75 Вт для АС кате­гории HI-FI ;6ГДВ-2 - громкоговоритель электродинамический купольный высо­кочастотный с паспортной мощностью б Вт для АС категории HI-FI ;ЗГДШ-1 - электродинамический катушечный конусный широкопо­лосный с мощностью 3 Вт для телевизоров;10ГИВ-1-громкоговоритель изодинамический высокочастотный с паспортной мощностью 10 Вт для АС категории HI-FI.****6.2.2. Электродинамические громкоговорители. Конструкция и назначение основных элементов.Подавляющее большинство современных высококачественных АС применяют в качестве излучателей электродинамические громкоговори­тели, которые представляют собой электро-механо-акустические пре­образователи, использующие постоянный магнит, звуковую катушку и механическую подвижную систему для излучения звука в окружающую среду [2].Элементы конструкции диффузорного электродинамического гром­коговорителя, показанные на рис.6.2, в зависимости от воспроизводимой полосы частот в многополосных АС отличаются определенными конструктивными особенностями. Низкочастотные громкоговорители: проектирование низкочастотных громкоговорителей (НЧ ГГ), как всей конструкции в целом, так и их отдельных элементов, должно исходить из специальных требований, основные из которых следующие:- низкочастотные ГГ, как правило, имеют более низкую чувствительность по сравнению со средне- и высокочастотными ГТ - 86...91 дБ/Вт/м. В связи с этим, для обеспечения необходимого звукового давления в области низких частот, они должны выдерживать значительные мощностные нагрузки (до 200 Вт и более) при сохранении тепловой и ме­ханической прочности;- сравнительно низкая резонансная частота (16...30 Гц) этих ГТ, необходимая для обеспечения эффективного воспроизведе­ния низкочастотных составляющих сигнала, требует высокой ли­нейности упругих характеристик гибких элементов (подвеса и шай­бы) при больших смещениях подвижной системы вплоть до ±12...15 мм;- для обеспечения «неокрашенности» звучания НЧ ГГ дол­жны иметь, помимо малых уровней гармонических искажений, как можно более «гладкую», (т.е. без ярко выраженных резонансов), амплитудно-частотную характеристику звукового давления, вплоть до верхней границы воспроизводимого ими диапазона частот (как пра­вило 1500...3000 Гц). Экспериментально показано, что для того, чтобы НЧ ГГ не вносил слышимой окраски в звучание АС в верхней части воспроизводимого им диапазона, резонансные пики на его АЧХ должны быть не менее чем на 20 дБ ниже среднего уровня звукового давления, создаваемого акустической системой в этой обла­сти частот. Для удовлетворения таким требованиям при проектировании НЧ ГГ уделяется большое внимание конструктивной и технологической раз­работке всех его элементов: подвеса, шайбы, диффузора, пылезащитного колпачка, звуковой катушки, гибких выводов звуковой катушки, магнитной цепи и диффузородержателя.Типичная конструкция современного низкочастотного ГГ для высококачественных АС представлена на рис. 6.6.Остановимся более подробно на основных конструктивных особенностях указанных выше элементов НЧ ГГ[ 2]-[3]:- подвес (Surround)

6. 2. 4. Фильтрующе- корректирующие цепи Как уже отмечено выше, все современные высококачественные акустические системы являются многополосными, поэтому приходиться прак­тически во всех из них использовать электрические разделительные фильт­ры, основная задача которых - ослабление электрического сигнала за пре­делами рабочей полосы частот громкоговорителей. Развитие техники конструирования и, особенно, возможности компьютерного моделирова­ния изменили требования к проектированию фильтров и выдвинули новые задачи коррекции электроакустических характеристик акустических сис­тем [3], такие как: симметризация характеристик направленности, обеспе­чение заданной неравномерности АЧХ, снижение уровня фазовых искаже­ний и т. д.Начальным этапом в проектировании фильтров является выбор частот раздела между громкоговорителями (значения этих частот довольно часто указываются в каталогах, так как они являются достаточно информатив­ным параметром в оценке качества акустических систем). При выборе час­тот раздела обычно используются следующие соображения: обеспечение возможно более равномерных характеристик напра­вленности, т.е. отсутствия «скачков» ширины диаграммы напра­вленности при переходе от низкочастотного к среднечастотному и от средне- к высокочастотному громкоговорителю, поскольку в той области частот, где они работают вместе, при отсутствии фильтра диаграмма направленности резко сужается за счет расширения пло­щади излучения. По этой же причине - сохранения плавного изме­нения ширины характеристики направленности - громкоговорители стараются размещать как можно ближе друг к другу и располагать их друг над другом в вертикальной плоскости. - обеспечение работы громкоговорителя, в основном, в области порш­невых колебаний диафрагмы и значительного ослабления уровня амплитудно-частотной характеристики за ее пределами (с целью снижения уровня пиков и провалов на АЧХ ниже порогов слы­шимости, т.е. примерно на 20 дБ ниже уровня среднего звукового давления АС);- ограничение амплитуды смещения подвижных систем средне- и высокочастотных громкоговорителей в низкочастотной части излучае­мого ими спектра и, соответственно, подводимой мощности до зна­чений, определяемых их механической и тепловой прочностью, что повышает надежность их работы;- обеспечение требуемого уровня звукового давления, например, повышение частоты среза в область высоких частот, позволяет уве­личить уровень подаваемого напряжения, на высокочастотный громкоговоритель, что позволяет увеличить соответственно и уровень звукового давления в высокочастотной части АЧХ;- снижение уровня нелинейных искажений, в частности, за счет эффекта Доплера, возникающем в многополосных АС за счет модуляции высокочастотных составляющих низкочастотными компонентами сигнала.Как правило, частоты среза в современных трехполосных акустичес­ких системах находятся в пределах: от 500 до 1000 Гц и от 2-5кгц. В подавляющем большинстве акустических систем для домашнего применения используются «пассивные» фильтры (т.е. фильтры, включен­ные между усилителем и громкоговорителем).В «активных» акустических системах со встроенными многополосными усилителями применяются активные фильтры, включенные до усилите­ля называемые также кроссоверами. По сравнению с пассивными, актив­ные фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т. д. Однако пассивные фильтры обеспечивают больший динамический диапа­зон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений. К числу их недостатков можно отнести температурную нестабильность, что приводит к из­менению формы АЧХ при повышении уровня подводимого сигнала (так называемая «компрессия мощности»), а также необходимость тщательного выбора высокоточных элементов (резисторов, конденсаторов и т. д.), к раз­бросу параметров которых характеристики фильтров могут быть очень чувствительны. В последние годы ряд зарубежных фирм начали применять в акустических системах цифровые фильтры, обеспечивающие в реальном времени функции фильтрации, коррекции и адаптации к реальным условиям прослушивания.Из пассивных фильтров чаще всего используются в настоящее время в АС категории HI-FI фильтры «всепропускающего типа» (all-pass band), ко­торые удовлетворяют одновременно нескольким требованиям: обеспечивают плоскую АЧХ по напряжению, симметричную характеристику направленности, низкую чувствительность к изменению элементов; используют­ся также «минимально фазовые фильтры» и др. Методика расчета фильтрующе-корректирующих цепей для многополосных акустических систем приведена в работе [3,8 ].Программы для расчета фильтров различных порядков можно найти в Интернет, например, по адресам:http://dev.azz.ru/cec/;http://w1.415.telia.com/