В серии обучающих статей

для начинающих радиолюбителей приведены основные сведения по громкоговорителям (динамикам), и акустическим системам (колонкам) и их расчётам на примерах.

Часть 1.

Основные термины, определения, устройство и принцип работы громкоговорителей для высококачественных акустических систем.

Введение.

В среде коллег – радиолюбителей бытуют расхожие мнения, что самому, «с нуля», спроектировать и построить высококачественную акустику очень сложно, и почти невозможно. Выход - скопировать уже известные удачные разработки, любительские или промышленные. Что морочить голову с измерениями и расчётами нет смысла, и это не нужно, а достаточно только что-то подобрать и подстроить «на слух» и всё будет ОК.

Позволю себе с этим не согласиться.

И циклом этих статей буду эти расхожие мнения опровергать.

Тем более, что в настоящее время практически у всех любителей есть компьютеры. Которые легко превратить в измерительный комплекс для измерения всех необходимых параметров .

А точные измерения позволят использовать динамики на все 100% их возможностей, так как расчёт акустики будет произведён не исходя из среднего результата типовых измерений динамиков при массовом производстве, а по их индивидуальным, измеренным значениям параметров. Что могут позволить себе далеко не все фирмы, выпускающие акустику!

Цикл статей будет включать примеры точного расчёта и изготовления высококачественных акустических систем.

Громкоговоритель<;/b> (динамик, головка громкоговорителя, loudspeaker) - определяется как «преобразователь, позволяющий получить акустические (звуковые) волны из электрических колебаний, и предназначенный для излучения акустической мощности в окружающую среду».

Акустическая система – (АС, acoustical system)

это громкоговоритель (динамик) в каком либо оформлении – корпусе, один или несколько. АС выпускаются как пассивные, так и активные, со встроенным усилителем.

Устройство электродинамического громкоговорителя.

Конструкция громкоговорителя приведена на примере наиболее распространённого диффузорного конусного громкоговорителя.

На Рис.1 приведён его «томографический» срез.

Конусный громкоговоритель состоит из таких основных частей (см. Рис 1):

- подвижной системы, (часть динамика, которая совершает колебания), состоит из подвеса, диффузора, пылезащитного колпачка, центрирующей шайбы (ЦШ), звуковой катушки (ЗК) и гибких выводов;

- магнитной цепи, (магнитной системы, (МС)) это верхний фланец, магнит, нижний фланец с запрессованным в него керном;

- диффузородержателя, («рамы», «корзины», «корпуса»). Служит для жёсткого соединения подвижной системы и магнитной цепи и крепления динамика в корпусе АС.

По принципу действия.

Основные типы высококачественных громкоговорителей, серийно выпускаемых в настоящее время, распределяются по таким принципам действия:

- электродинамические, действие которых основано на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током звуковой частоты от усилителя мощности. Это основной тип современных громкоговорителей;

- электростатические, излучающим элементом которых служит тонкая металлизированная плёнка (мембрана), помещённая между перфорированными электродами. Между мембраной и электродами приложено постоянное высоковольтное поляризующее напряжение. Переменное электрическое напряжение звуковой частоты, также высоковольтное, подводится к электродам, под действием которого тонкая мембрана начинает колебаться и излучать звук. К ним тесно примыкают электретные излучатели, с плёночным излучателем, на который нанесены постоянные электрические заряды, то есть в отличие от «чисто»электростатических, им не нужно высоковольтное поляризующее напряжение;

- пьезоэлектрические, действие которых основано на сжатии и расширении пьезоэлектрической пластины из керамики (титанат бария, цирконат титана, и др. ) или плёнки (пьезоэлектрический эффект в полимерах) на которую металлизацией нанесены два электрода. Колебания пластины передаются соединённой с ней диафрагмой, диффузором, который и излучает звук в окружающую среду. Гибкая плёночная пьезоэлектрическая диафрагма способна сама непосредственно излучать звук. Эти громкоговорители, как правило, бывают только высокочастотные, из-за очень небольшого смещения мембраны и её высокого резонанса. Выпускались серийно отечественные широкополосные наушники с применением пьезоэлектрической плёнки (ТПС-1).

- «ионофонные» громкоговорители, (плазмафоны). Их действие основано на модуляции звуковыми частотами высоковольтного разряда в воздухе. Практически безинерционный излучатель. Применяются очень редко, и только как высокочастотное звено бытовых АС. При работе выделяют вредные озон и окислы азота, поэтому требуют проветривания помещения.

 По способу преобразования.

По способу преобразования акустической энергии громкоговорители распределяются:

- прямого излучения, у которых поверхность диафрагмы излучает звук непосредственно в окружающую среду

- рупорные, в которых диафрагма нагружена на горловину расширяющегося к выходному отверстию рупора. Излучателем в окружающую среду здесь является выходное отверстие рупора. Они бывают узкогорлые, в которых мембрана нагружена на предрупорную камеру с щелевым вкладышем - распределителем, и широкогорлые, в которой размер горловины совпадает с размерами диафрагмы.

По рабочему диапазону частот.

 Громкоговорители подразделяются на такие виды:

- широкополосные, с воспроизводимым диапазоном от 40-120 Гц до 7100-20000 Гц;

- низкочастотные, с воспроизводимым диапазоном от 16-100 Гц до 1000-5000 Гц;

- среднечастотные, , с воспроизводимым диапазоном от 150 Гц до 3000-10000 Гц;

- высокочастотные, с воспроизводимым диапазоном от 800-6300 Гц до 14000-50000 Гц.

Уже по этим данным видно, что широкополосные головки не способны качественно охватить весь звуковой диапазон. Это достигается комбинацией специализированных головок: низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной в трёхполосной акустической системе. В ряде случаев это возможно в двухполосных акустических системах комбинацией низкочастотной и высокочастотной головок, но они должны быть рассчитаны на работу с перекрытием части среднечастотного диапазона.

По форме диафрагмы:

- конусная (диффузорная), прямой конус или с криволинейной образующей;

- купольная, вогнутый или выпуклый купол, как правило, его форма - сегмент сферы;

- плоская, плоский диск, например сотовый, или плоская плёночная мембрана в электростатических или пьезоголовках, или плоская кольцевая мембрана;

- кольцевая мембрана с V-образной канавкой.

Это наиболее распространённые формы диафрагм.

Основные типы громкоговорителей приведены на Рис. 2.

Пояснения к Рис. 2, описание некоторых видов подвижных систем:

1.      С конусной диафрагмой.

2.      С криволинейной образующей диффузора.

3.      Подвижная система широкополосного динамика с дополнительным высокочастотным диффузором.

4.      Подвижная система с плоским сотовым диском, соединённым со звуковой катушкой дополнительным конусом.

5.      Купольная подвижная система.

6.      Подвижная система купольного среднечастотного динамика с центрирующей шайбой.

7.      Кольцевая подвижная система с V – образной образующей диффузора.

8.      Коническая, с пьезоэлектрическим преобразователем.

9.      Плоская подвижная система.

Область применения громкоговорителей.

В зависимости от назначения они подразделяются на применяемые в таких основных группах:

- в массовой радиоаппаратуре в качестве встроенных в телевизоры, радиоприёмники, носимую аппаратуру, автомобили;

- в  концертно-театральных АС, для дискотек, кинотеатров, для озвучивания стадионов, площадей. Это группа профессиональных АС.

- в высококачественных акустических системах в комплексе с бытовой воспроизводящей и усилительной радиоаппаратурой;

- в студийных контрольных агрегатах.

В приведенном порядке требования к громкоговорителям и их качественные показатели возрастают сверху вниз по списку. Следует учитывать, что в каждой из этих групп громкоговорителей приоритеты в качественных показателях разные.

Акустическое оформление громкоговорителей.

Основные типы акустического оформления:

- плоский экран;

- открытый корпус, (ОК - открытый корпус, «свёрнутый экран»)

- закрытый корпус (ЗЯ - «закрытый ящик», ЗАС – закрытая акустическая система);

- фазоинверсный (ФИ, АС с ФИ);

- акустический лабиринт (ЛАС – лабиринтная акустическая система);

- акустическая система с пассивным отражателем (АС с ПО)

- широкогорлый рупор.

В первую очередь оформление необходимо для воспроизведения низкочастотной части диапазона.

При работе без оформления на низких частотах звуковая волна, излучаемая тыльной стороной диффузора, складывается (с вычитанием), с волной излучаемой внешней стороной диффузора. Таким образом, они  компенсируют друг друга. Этот эффект ещё называют «акустическим коротким замыканием».

Задача оформления - устранение этого эффекта. Этого добиваются:

- увеличением пути звуковой волны от тыльной стороны диффузора (в экране или открытом корпусе);

- «сворачиванием» экрана с полной изоляцией излучения передней части от тыльной (в закрытом корпусе);

- использованием излучения тыльной части диффузора, с поворотом его фазы таким образом, чтобы она совпадала по фазе с излучением передней части диффузора (в корпусах с ФИ, с пассивным отражателем или акустическим лабиринтом).

- увеличением площади излучателей (применяется чаще всего в электростатических АС).

Громкоговорители очень требовательны к точности расчёта оформления.

Типы акустического оформления приведены в порядке возрастания сложности расчёта и изготовления. Как правило, радиолюбителям, не имеющим доступа к измерительной аппаратуре, доступны для использования и расчёта по типовым справочным данным динамиков только три первые из них. Остальные конструкции, могут быть в большей или меньшей степени удачными, при повторении известных разработок. А могут и сильно отличаться в худшую сторону  от прототипа (так бывает чаще всего). Тогда хорошая, в общем-то, низкочастотная головка может быть необоснованно забракована как «плохая». Это объясняется значительным разбросом каждого из нескольких параметров динамика необходимых для точного расчёта АС.

Точный расчёт АС и правильный выбор оформления возможен только при измерении реальных характеристик конкретных головок громкоговорителя (параметров Тиля-Смолла).

Те радиолюбители, которые имеют

- генератор звука работающий от 10-15 Гц с плавной или дискретной перестройкой через 0,1 Гц;

- милливольтметр переменного тока с рабочим диапазоном от 1-10 мВ и выше, с постоянным выходным напряжением в звуковом диапазоне;

- набор точных резисторов с сопротивлением от 3 до 100 Ом,

могут их измерить с необходимой точностью.

Вместо первых двух приборов можно использовать компьютер, но необходимо всегда помнить, что измерения должны быть точными, а форма измерительного сигнала – синусоидальной. Его уровень и форму при измерениях необходимо контролировать.

Только при точных измерениях и расчётах оформления динамик используется на полные его возможности.

Это мы будем рассматривать в следующей статье - "Часть 2.Измерение параметров Тиля - Смолла на примере 8ГД-1."

18.05.2010                                                                                                  P.S.V.