Телефон
8 (495) 103-67-33
обратный звонок
Режим работы
с 10:00 до 19:00
sales@west-tech.ru
Ваша корзина
В корзине пока пусто
Главная страница / Полезные статьи / Статья "Громкоговорители, часть 3.2"

Статья "Громкоговорители, часть 3.2"

Конструкция электродинамических громкоговорителей. Причины возникновения нелинейных искажений.

Физические процессы, приводящие к возникновению нелинейных искажений в электродинамических громкоговорителях, связаны, прежде всего, с нелинейной зависимостью выходного сигнала (звукового давления) от входного сигнала (приложенного напряжения к звуковой катушке громкоговорителя). Эта зависимость обусловлена нелинейностью упругих колебаний элементов подвижной системы (подвесов, шайб, диафрагм) и нелинейностью процессов электромагнитного преобразования в системе "магнитная цепь + звуковая катушка".

Подвижная система
Начнем с анализа причин возникновения нелинейных искажений в подвижной системе громкоговорителей, основные элементы которой показаны на рис. 1.

В области низких частот появление дополнительных гармоник в спектре (так же, как и интермодуляционных искажений) определяется, в основном, нелинейностью упругих характеристик (то есть зависимостью смещения от приложенной силы) в подвесах и центрирующих шайбах. В области средних и высоких частот начинают вносить свой вклад в нелинейные процессы резонансные и параметрические колебания диафрагм. Кроме того, при наличии определенных дефектов в подвижных системах в спектре выходного сигнала могут появиться гармоники высших порядков ("дребезг").

Как уже было сказано в предыдущей статье, в реальных громкоговорителях связь между силой, приложенной к подвижной системе громкоговорителя со стороны звуковой катушки, и ее смещением в области низких частот имеет нелинейный характер: F = к1х + к2х2 + к3х3, где к1, к2, к3 — коэффициенты нелинейной жесткости, зависящие от физико-механических параметров материалов, из которых сделаны подвес и шайба (резина, поролон, целлюлоза, ткань и др.), и от их конструктивных параметров (вида и глубины гофрировки, толщины и т. д.).

Измерения величины общей жесткости (упругости) подвижной системы в зависимости от величины смещения, представленные на рис. 2, показывают, что с увеличением смещения (при больших мощностях) система становится все более жесткой (коэффициент нелинейных искажений при этом возрастает). Необходимо отметить также, что жесткость зависит от частоты и условий окружающей среды (температуры, влажности и т. д.).

Интересно отметить, что центрирующие шайбы вносят больший вклад в нелинейность громкоговорителя, чем подвес. В некоторых случаях, например, при смещении шайбы от положения равновесия ("провисания"), минимум кривой жесткости (рис. 2) может не совпадать с положением равновесия громкоговорителя, что вызывает появление дополнительных гармоник в спектре. Это требует соответствующей корректировки при сборке подвижной системы, например, некоторого сдвига плоскости приклейки подвеса.

При разработке громкоговорителей выбор конструктивных параметров подвеса и шайбы представляет значительные трудности, так как, с одной стороны, необходимо обеспечить достаточно большое смещение подвижной системы, чтобы получить высокий уровень чувствительности (90-94 дБ/Вт/м), с другой стороны — обеспечить относительную линейность упругих характеристик. Методы их компьютерного расчета и оптимизации детально разработаны (описание некоторых из них имеется в книге автора "Электродинамические громкоговорители").

Одним из самых эффективных методов снижения нелинейных искажений в области низких частот, особенно на первом резонансе подвеса или шайбы, является увеличение демпфирования (снижения добротности). При больших добротностях, то есть малом затухании, может иметь место явление "скачка" — резкого изменения амплитуды вблизи вершины резонансной кривой, при этом колебания подвижной системы становятся неустойчивыми и при понижении и повышении частоты возбуждения могут иметь разные амплитуды, соответствующие разным точкам на резонансной кривой (рис. 3).

Такое явление называется потерей устойчивости и приводит к появлению субгармоник в спектре (то есть частот, равных 1/2, 1/3 и др. от основной частоты). Эффект "потери устойчивости" может проявляться и на более высоких частотах при больших смещениях за счет нелинейных эффектов при колебаниях диафрагмы. Как уже было показано в предыдущей статье, диафрагма имеет собственные резонансы в области средних частот, и при воздействии на громкоговоритель сигналом достаточно большой мощности с частотой, равной удвоенной резонансной частоте диафрагмы, также могут возникать субгармоники.

Применение для подвесов и шайб материалов с высокими демпфирующими свойствами (например, резины) или использование дополнительных пропиток вязкими лаками приводит к снижению добротности, уменьшению амплитуды на резонансе и симметризации резонансных кривых, что вызывает существенное снижение нелинейных искажений системы. Это особенно важно при проектировании мощных низкочастотных громкоговорителей, где смещения подвесов могут достигать 10-15 мм в области частот 20-40 Гц. Именно поэтому в них используют, в основном, тороидальные подвесы из специальной резины (или прессованного поролона) и мостиковые гофрированные шайбы из пропитанных тканей.

Звуковая катушка и магнитная цепь
Как уже было сказано ранее, общие нелинейные искажения сигналов в громкоговорителях в области низких частот определяются как нелинейной упругостью подвесов, так и нелинейностью электромагнитных процессов преобразования в узле "звуковая катушка + магнитная цепь".

При движении звуковой катушки в зазоре магнитной цепи возникает сила, действующая со стороны магнитного поля на звуковую катушку, которая приводит к смещению подвижной системы громкоговорителя. Эта сила равна F=BLI (B — индукция в зазоре, L — длина проводника, I — ток). Поскольку магнитный поток (как постоянный, так и переменный), пронизывающий катушку, изменяется по нелинейному закону, то и зависимость силы F от смещения катушки также имеет нелинейный характер, что и вносит свой вклад в возникновение нелинейных искажений в громкоговорителе.

Существуют несколько причин, обусловливающих нелинейную зависимость механической вынуждающей силы F от приложенного к звуковой катушке напряжения U:
- неоднородность и несимметричность распределения магнитного поля в зазоре, что определяет нелинейную зависимость средней индукции Вср (х) от величины смещения звуковой катушки;
- нелинейный характер взаимодействия переменного магнитного поля вокруг звуковой катушки с постоянным магнитным полем в зазоре;
- нелинейное изменение индуктивности звуковой катушки в зависимости от ее смещения;
- нелинейная зависимость активного сопротивления звуковой катушки от тока при больших уровнях подводимого напряжения.

В настоящее время все эти процессы основательно исследованы как экспериментальными, так и численными методами. Остановимся только на общих физических принципах влияния этих процессов на нелинейные искажения и конструктивных методах их снижения.

Распределение магнитных силовых линий внутри и вне зазора неоднородно (плотность их вне зазора значительно меньше) и несимметрично (выше и ниже зазора характер их распределения существенно различается), рис. 4а. Поскольку при смещении звуковую катушку пересекает разное число линий магнитного потока, возникающая в ней электродвижущая сила становится нелинейной функцией смещения (рис. 4б).

Распределение магнитного потока зависит от конфигурации фланцев, ширины и высоты зазора, объема и типа магнита и т. д. Численные расчеты коэффициента гармонических нелинейных искажений, обусловленного этими причинами, показали, что несимметричность магнитного поля приводит к появлению второй гармоники, а неоднородность — к третьей. Кроме того, этот эффект приводит к возрастанию интермодуляционных искажений, особенно в области низких частот, где смещения звуковой катушки особенно велики.

Для снижения влияния неоднородности магнитного поля на нелинейные искажения в практике разработок громкоговорителей используются различные конструктивные меры: изменение высоты катушки, высоты зазора, конфигурации фланцев и т. д. (рис. 5). Как показали расчеты, существенное влияние на величину нелинейных искажений оказывает также увеличение высоты катушки.

Переменный магнитный поток
Значительный вклад в общий уровень вносят искажения, обусловленные взаимодействием переменного магнитного потока (возникающего вокруг звуковой катушки при подведении к ней переменного напряжения звуковой частоты) с постоянным магнитным полем.

Переменный поток Фзк звуковой частоты определяется через индуктивность (точнее, коэффициент самоиндукции I) как Фзк= LI. Поскольку звуковая катушка находится в непосредственной близости от центрального полюсного наконечника (керна) и верхнего фланца, этот переменный поток замыкается через магнитопровод и рабочий зазор, создавая переменную составляющую рабочей индукции в зазоре. Расчеты переменного потока показали, что магнитный поток распределяется в непосредственной близости к звуковой катушке, то есть на расстоянии нескольких миллиметров от катушки в близлежащих частях центрального полюсного наконечника и верхнего фланца, и лишь 10% переменного потока распределяется в остальных частях магнитопровода.

Следует отметить, что, поскольку величина Фзк зависит от длины намотки звуковой катушки (через коэффициент I), то в низкочастотных громкоговорителях поток глубже проникает в детали магнитопровода, чем в высокочастотных. При перемещениях звуковой катушки область, охватываемая переменным магнитным потоком, также смещается вместе с ней.

Искажения, вносимые переменным магнитным потоком, определяются рядом факторов.

Во-первых, нелинейностью магнитных характеристик материала магнитопровода. Изменение магнитного состояния материала магнитопровода при воздействии переменного магнитного потока показано на рис. 6, где представлена основная кривая намагничивания материала магнитопровода (обычно низкоуглеродистая сталь марки Э-12 или сталь 10) и частная петля гистерезиса — a, b, c.

Известно, что при воздействии на намагниченный постоянным магнитным полем ферромагнитный материал переменного магнитного поля магнитное состояние этого материала изменяется не по основной, а по частной петле гистерезиса a, b, c. При этом в звуковой катушке индуцируется ток, искажающий форму основного тока, что приводит к появлению искажений в воспроизводимом громкоговорителем звуковом сигнале.

Во-вторых, под действием этого же переменного потока в массивных частях магнитопровода возникают индукционные (вихревые) токи. Так как сплошной металлический массивный проводник (фланец, керн) имеет малое сопротивление, то сила индукционных токов (токов Фуко) может достигать больших значений, особенно на высоких частотах, поскольку она пропорциональна скорости изменения переменного магнитного потока. Область влияния этих токов ограничивается поверхностным эффектом (глубина их проникновения — доли миллиметра). Магнитное поле этих токов направлено противоположно вызывающему их переменному магнитному полю, поэтому они оказывают некоторое "сглаживающее" действие на форму тока.

Следует отметить, что искажения, обусловленные переменным магнитным потоком, особенно сильно сказываются при использовании цепей с ферритовыми магнитами, так как в них из-за низкого магнитного сопротивления магнитопровода величина переменного потока, а следовательно и уровень искажения, довольно значительны (что может вызывать так называемый "ферритовый" звук в громкоговорителе).

Уровень нелинейных искажений, вносимых переменным потоком звуковой катушки, может быть снижен двумя путями: уменьшением абсолютной величины потока и повышением линейности характеристик магнитопровода. Наиболее эффективным способом уменьшения переменного потока звуковой катушки является использование индуктивно связанных с ней короткозамкнутых проводящих витков в виде колпачка, одеваемого на торец керна, или кольца, располагаемого внутри магнитной системы (рис. 5).

Переменный поток звуковой катушки индуцирует в короткозамкнутом витке противо-ЭДС, поток которой направлен противоположно магнитному потоку звуковой катушки. Степень уменьшения потока обратно пропорциональна сопротивлению витков, поэтому они выполняются из материалов с высокой электропроводностью. Для колпачков и колец используется, в основном, медь. В ряде конструкций применяется короткозамкнутое кольцо, плотно одеваемое на керн, в сочетании со ступенчатым керном, что позволяет сохранить величину индукции и симметризировать поток в зазоре. Изменение индуктивности звуковой катушки (L) в зависимости от величины тока (I) без короткозамкнутого витка и с ним показаны на рис. 7, откуда видно, что степень этой зависимости существенно уменьшается.

Еще одним способом уменьшения переменного магнитного потока является увеличение сопротивления магнитопровода вдоль пути этого потока. С этой целью участки магнитопровода, образующие зазор, выполняются в виде набора тонких кольцевых пластин из электротехнических кремнистых сталей. Слоистые полюсные вставки мало влияют на постоянный магнитный поток, так как он распространяется вдоль пластин, где магнитное сопротивление вставок мало, в то же время они имеют высокое магнитное сопротивление переменному потоку, который распространяется перпендикулярно к ним.

Повышение линейности магнитных характеристик магнитопровода также снижает нелинейные искажения, обусловленные переменным магнитным потоком. Оно может обеспечиваться перемещением рабочей точки магнитомягких материалов в область насыщения. В этой области (для низкоуглеродистой стали, из которой обычно делаются керны и фланцы, она начинается с индукции порядка 1,8 Тл) кривая намагничивания становится практически линейной, а частная петля гистерезиса превращается в прямую линию. При этом гармонические искажения уменьшаются.

Перемещение рабочей точки достигается двумя путями: уменьшением сечения деталей магнитопровода на участках, прилегающих к рабочему зазору, и применением полюсных вставок из материалов с низкой индукцией насыщения. В первом случае используются конструкции керна с выборкой в торцевой части, при этом в оставшейся части индукция достигает значений 1,8...2 Тл. Еще большего эффекта можно достичь сочетанием насыщенного керна с медным колпачком (что целесообразнее использовать для средне-высокочастотных громкоговорителей). Во втором случае применяются полюсные вставки, например, из материала, получившего название FN-ring. Все перечисленные решения увеличивают трудоемкость изготовления магнитной цепи и требуют увеличения объема магнита для компенсации некоторого уменьшения индукции в зазоре, поэтому они применяются, в основном, в громкоговорителях для высококачественной и профессиональной аппаратуры.

Изменение индуктивности звуковой катушки
Следующим фактором, определяющим возникновение нелинейных, в первую очередь интермодуляционных искажений, является изменение индуктивности звуковой катушки L при смещении ее из среднего положения. В один полупериод колебаний звуковая катушка "надвигается" на керн магнитной цепи (L увеличивается), в другой — частично выходит за пределы керна и фланца, при этом влияние ферромагнитного материала ослабляется.

Характер изменения индуктивности звуковой катушки при различных ее положениях внутри магнитной системы был экспериментально измерен для различных типов громкоговорителей. Результаты показаны на рис. 8а,б. Как показали исследования, изменение индуктивности L(x) приводит к значительной модуляции высокочастотного сигнала низкочастотным (глубина модуляции может достигать 20%). Кроме того, изменение индуктивности оказывает существенное влияние на уровень переходных искажений в громкоговорителе: время нарастания импульса сигнала в нижнем положении катушки значительно больше, чем в верхнем. Например, для громкоговорителя диаметром 250 мм при смещении звуковой катушки на 5 мм вверх t = 200 мс, а вниз t = 450 мс. Это ухудшает воспроизведение нестационарных сигналов и, соответственно, качество звучания.

Как показали экспериментальные и теоретические исследования, способами уменьшения интермодуляционных искажений, обусловленных изменением индуктивности при смещении катушки, являются увеличение высоты керна, применение катушек с двойной намоткой и др. Примером такой конструкции может служить низкочастотный громкоговоритель LSR фирмы JBL (рис. 9). Кроме того, для этих целей также широко используются короткозамкнутые витки, например, медные колпачки на керне. Существенное влияние на значение L оказывает длина медного колпачка, наибольшее снижение интермодуляционных искажений дает использование медного колпачка на всю длину керна.

Скорость изменения индуктивности
Имеется еще один вид нелинейных искажений, обусловленный скоростью изменения индуктивности звуковой катушки как функции смещения. В любой катушке, питаемой током, возникают силы притяжения к ферромагнитному телу, находящемуся вблизи нее.

В электродинамических громкоговорителях звуковая катушка находится именно в таких условиях, поэтому при ее перемещении в узком зазоре магнитной цепи в дополнение к основной силе F(I) возникает сила притяжения. Наличие такой дополнительной силы приводит к появлению второй гармоники. Кроме того, она имеет постоянную составляющую, что может приводить к смещению нейтрального положения катушки и, соответственно, увеличению искажений. Присутствие этой силы приводит и к увеличению уровня интермодуляционных составляющих. Для уменьшения этих видов искажений используются те же конструктивные меры, что и для линеаризации L(x) (короткозамкнутые витки, увеличение высоты керна и т. д.).

Нагрев звуковой катушки
Следует отметить, что при больших уровнях подводимого напряжения из-за значительного повышения температуры нагрева катушки активное сопротивление также становится нелинейной функцией тока, что может вносить свой вклад в общую нелинейность зависимости силы F от подводимого напряжения U.

В процессе преобразования сигнала подводимая к громкоговорителю электрическая энергия частично преобразуется в акустическую (1...5%), остальная рассеивается в виде тепла, поэтому при проектировании громкоговорителей стремятся обеспечить максимальный теплоотвод в конструкции и теплоустойчивость ее элементов.

Тем не менее, при воспроизведении современных музыкальных программ температуры звуковых катушек могут достигать значительных величин, например, температура звуковой катушки низкочастотного громкоговорителя может составлять: 100 градусов (рояль соло), 120 градусов (рок-группа), 150 градусов (симфонический оркестр). Изменение температуры звуковой катушки в низкочастотном громкоговорителе диаметром 315 мм и соответствующее изменение ее сопротивления в зависимости от подводимой мощности при разной индукции в зазоре (1,2 и 2,0 Тл) показаны на рис. 10.

Значительный нагрев звуковой катушки и элементов магнитной цепи вызывает такие нежелательные явления, как механическое повреждение звуковой катушки, изменение магнитных свойств, возрастание активного сопротивления звуковой катушки (значения RЕ при разной величине подводимой мощности показаны на рис. 7) и др. Изменение активного сопротивления в 1,5...2 раза при нагреве до 200 градусов приводит к изменению тока при больших мощностях, поэтому по мере повышения мощности деформируется форма АЧХ, нарушается "динамическая линейность", происходит своего рода компрессия. Кроме того, такое значительное изменение активного сопротивления звуковой катушки приводит к рассогласованию громкоговорителя с фильтрующими цепями в акустической системе, что вызывает ухудшение параметров и качества звучания громкоговорителя.

Таким образом, при проектировании магнитных цепей громкоговорителей огромное внимание уделяется не только выбору параметров и конфигурации основных ее элементов, обеспечивающих заданную индукцию в зазоре (для обеспечения соответствующего уровня звукового давления), но и подбору всех элементов узла "магнитная цепь + звуковая катушка", обеспечивающих снижение нелинейных искажений в громкоговорителях.

Заключение
Проведенный в последних двух статьях краткий анализ причин возникновения линейных и нелинейных искажений в электродинамических громкоговорителях, конечно, не исчерпывает всех проблем, связанных с их конструированием и технологией изготовления.

В частности, при установке громкоговорителя в корпус могут возникать искажения за счет воздушных потоков в фазоинверторе, за счет эффектов Доплера при взаимодействии низкочастотных и высокочастотных громкоговорителей, и др.

Десятки крупнейших фирм (например, JBL, Altec Lansing, Peavey и др.) затрачивают большие средства на исследовательские и конструкторские работы в этом направлении. Выпускаются специальные журналы, книги, статьи и пр. Читатели, желающие ознакомиться с этим подробнее, должны изучать профессиональную техническую литературу (к сожалению, в популярных изданиях нередко встречаются художественные вымыслы на эту тему).

В последующих статьях будут рассмотрены нетрадиционные виды излучателей, достаточно широко используемые в современных акустических системах (электростатические, ленточные, пьезоэлектрические и др.)

Другие интересные статьи
Ключевые частоты инструментов и микрофоны для их съёма

Оживление искусственных барабановЕсли вы хотите “оживить” звук “drum mashine”, передайте его через усилитель гитары в студии и поставьте микфрофон (ы) перед усилителем на расстоянии 1м. Смешайте его с прямым звучанием «drum mashine», добиваясь более “живого” звучания. Этот же прием может быть использован для “оживления” сэмплерных вокалов.Советы по эквализации…

Использование метронома

Метроном - это прибор, способный производить произвольное количество тактовых долей времени на слух. Служит как вспомогательный прибор для установления точного ритма в музыкальном произведении. Обычно метроном состоит из деревянного корпуса пирамидальной формы, одна из граней которого срезана; в этом срезе находится маятник с грузиком. Позиция грузика влияет на частоту…

Сэмплинг

Сэмплинг? Как это ни смешно звучит, история сэмплинга началась с собачьего лая. Да, да, именно с него. Ограниченность музыкальных модулей и аналоговых синтезаторов со временем привела к тому, что появилась потребность работать с более интересными и эксклюзивными звуками. Конечно, подкладки, записанные на студийные магнитофоны, с применением хороших, качественных…

Статья "Громкоговорители, часть 4"

Нетрадиционные громкоговорители: ленточные и излучатели Хейла.В предыдущих статьях серии был выполнен анализ принципов работы электродинамических громкоговорителей. Однако в современных акустических системах, как бытовых, так и профессиональных, довольно широко используются излучатели, работающие на других способах и принципах преобразования энергии: электростатические,…

Статья "Громкоговорители, часть 2.1"

Электроакустические измерения. Линейные искажения.Вся электроакустическая аппаратура (в первую очередь, громкоговорители, как конечное звено звукового тракта) требует особых методов для оценки ее параметров. Объективные измерения выходных характеристик оказываются недостаточными для оценки качества звучания, что существенно отличает электроакустическую от других видов…

Запись электрогитары

В чем залог успеха записи электрогитары? Ответ очевиден: в хорошем исполнении, правильном усилителе и правильном инструменте. Звукорежиссеру нужен прежде всего крепкий исходник, и надо быть наивным человеком, ожидая чуда в результате неправильно выбранных усилителя и гитары или неудачного исполнения. Чтобы перенести звук на пленку или диск, необходимо иметь достаточный…

Выбор DJ-аппаратуры для начинающих

Руководство покупателя по оборудованию для диджеевИтак, вы хотите купить какое-то диджейское оборудование, но вам нужно немного дополнительной информации, пока вы не разбили копилку? Это руководство расскажет вам о различном оборудовании и разъяснит некоторые термины из мира DJ, которые вам надо усвоить, чтобы выбрать самое подходящее оборудование - будь вы…

Статья "Громкоговорители, часть 3.1"

Конструкция электродинамических громкоговорителей. Причины возникновения линейных искажений.В предыдущих статьях были представлены вопросы истории развития громкоговорителей и методы измерения линейных и нелинейных искажений в них. В данной статье будут рассмотрены причины возникновения этих искажений и способы их снижения за счет выбора конструктивных и технологических…

Сведение. С чего начать?

• Пункт первый..Нажимаем на мастере кнопку "моно"..Слушаем внимательно и создаём баланс инструментов в глубину. Никаких реверов, естественно. Приблизить и удалить звук (пока мы в моно) можно только по двум параметрам- громкость и тембровая окраска. С громкостью понятно, двигаем фейдера. А с тембром что? внимательно читаем статьи Алдошиной по психоакустике, и врубаемся,…

Коммутация (кабели)

При всем многообразии типов кабелей все они имеют сходные конструкции. Если рассмотреть поперечное сечение кабеля, то в его центре находятся один или несколько проводов, покрытых слоем изоляции. Эти провода, вместе с прокладкой из природных текстильных материалов, служащей для упрочнения конструкции и снижения микрофонного эффекта, помещены в зкранирующую оплетку.…

Гитарист Fear Factory Дино Казарес: Line 6, или как получить тяжелый звук, путешествуя налегке

Гитарист Fear Factory Дино Казарес: Line 6, или как получить тяжелый звук, путешествуя налегкеС момента выхода в июне альбома The Industrialist влиятельная мире индастриал-метала группа Fear Factory побывала везде — от Сан Франциско до Швеции. Пока полным ходом идет подготовка к новому турне The World Industrialist Tour, гитарист группы Дино Казарес (Dino Cazares)…

DMX-интерфейсы, что это за «звери»?

В наше время компьютеризация коснулась всех сфер жизни. Не стало исключением и такое направление как дискотечный свет. Практически, уже не найти приборов, где не было бы управления через DMX - специальный цифровой протокол для светового оборудования.  И не мудрено, что очень часто покупатель не знает, какой DMX пульт ему выбрать среди всего многообразия…