Elektrodynamisk högtalare
Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 4 augusti 2021; kontroller kräver 4 redigeringar .En elektrodynamisk högtalare är en högtalare där en elektrisk signal omvandlas till ljud, på grund av rörelsen av en spole med ström i magnetfältet hos en permanentmagnet (mindre ofta en elektromagnet), följt av omvandlingen av de resulterande mekaniska vibrationerna till vibrationer av den omgivande luften med hjälp av en diffusor.
Historik
Bells telefon och efterföljande konstruktioner använde en elektromagnetisk kapsel för att omvandla elektriska vibrationer till akustiska . I den svängde ett membran tillverkat av ett magnetiskt mjukt material i magnetfältet hos en permanentmagnet och en elektromagnet . Fram till slutet av 1920-talet använde de flesta högtalare denna funktionsprincip. Sådana högtalare hade en hög nivå av icke-linjär och frekvensdistorsion, såväl som förluster på grund av Foucault-strömmar och hysteres [1] .
Den första spolen med ström som rörde sig över kraftlinjerna föreslogs att användas i en högtalare av Oliver Lodge 1898 [2] . 1924 Chester W. Riceoch Edward W. Kelloggpatenterad närmast den moderna designen av den elektrodynamiska högtalaren [3] .
På 20-30-talet av XX-talet var material för produktion av permanentmagneter med tillräcklig kraft inte kända, därför användes elektromagneter i det magnetiska systemet i högtalarna under dessa år . Förutom huvudfunktionen - att skapa ett magnetfält för högtalaren, fungerade de också som en choke , vilket försvagade bakgrundsströmmen på nätet, orsakad av otillräcklig filtrering av den likriktade spänningen i strömkällan . Dessutom kan en speciell antifonal spole i högtalarens magnetiska system användas för att dämpa bakgrunden. Förekomsten av en sådan spole begränsade dock användningen av sådana högtalare i batteriradio (på grund av ökad batteriförbrukning), radiopunkter och fjärrhögtalare (på grund av behovet av en extra strömkälla). Av denna anledning ersatte den dynamiska högtalaren inte omedelbart de elektromagnetiska : till exempel producerades högtalarna av typen Record i Sovjetunionen fram till 1952. Men i Hi-End- utrustning kan fältlindade högtalare användas utöver permanentmagneten.
Enheten för den elektrodynamiska högtalaren
Den fasta delen av den elektrodynamiska högtalaren inkluderar en diffusorhållare och ett magnetiskt system . Donet ansluts elastiskt till diffusorhållaren från utsidan med hjälp av en upphängning och från insidan - med hjälp av en centreringsbricka . En talspole är stadigt fastsatt på diffusorn , som kan röra sig fritt i det magnetiska gapet utan att vidröra väggarna. Hålet i den centrala delen av diffusorn är täckt med en skyddskåpa .
Avstängning
En korrugerad flexibel upphängning (kantkorrugering, "krage") måste ge en relativt låg resonansfrekvens (det vill säga ha hög flexibilitet); den planparallella karaktären av rörelsen (det vill säga frånvaron av torsions- och andra typer av vibrationer) av det rörliga systemet i båda riktningarna från jämviktspositionen och den effektiva absorptionen av energin från resonansvibrationer i det rörliga systemet. Dessutom måste suspensionen behålla sin form och egenskaper över tid och under påverkan av klimatfaktorer i den yttre miljön (temperatur, fuktighet, etc.). Ur konfigurationens synvinkel (profilform), som avsevärt påverkar alla dessa egenskaper, är de vanligaste semi-toroidala, sinformade, S-formade suspensioner etc. Naturliga typer av gummi, polyuretanskum, gummerade tyger , naturliga och syntetiska tyger med speciella dämpande beläggningar.
Diffusor
Diffusorn är högtalarens huvudstrålande element, som måste ge ett linjärt frekvenssvar i ett givet frekvensområde. Helst bör könen fungera som en kolv , fram och tillbaka för att överföra vibrationerna från talspolen till den omgivande luften. Men när frekvensen ökar uppstår böjningskrafter i den, vilket leder till uppkomsten av stående vågor, vilket innebär toppar och fall av resonans i högtalarens frekvenssvar, och till ljuddistorsion. För att minska påverkan av dessa effekter försöker de öka diffusorns styvhet samtidigt som de använder material med lägre densitet. I moderna konstruktioner, i genomsnitt, för 8-12-tums lågfrekventa högtalare, sträcker sig driftsområdet upp till 1 kHz, 5-7 tum mellanfrekventa - upp till 3 kHz, högfrekventa - upp till 20 kHz .
Diffusorer efter materialtyp är:
- styva (keramiska, aluminium) ger den lägsta nivån av distorsion på grund av mindre böjning av diffusorytan, men samtidigt har de en för hög kvalitetsfaktor , vilket innebär en uttalad resonanstopp. Tillverkarens uppgift är att flytta denna topp bortom driftsfrekvenserna. Samtidigt upptar denna dynamik de högsta prispositionerna;
- halvstyv (gjord av glasfiber eller Kevlar med ett bindemedel av polymeriserat och bakat harts, "smörgåsar") - en kompromiss mellan mjukt och hårt. Ger mer distorsion, men har lägre resonansöverskridande, och generellt vid lägre frekvenser;
- mjuka diffusorer (polypropylen, polymetylpenten) har vanligtvis en platt frekvensrespons på grund av absorptionen av ljudvågor av diffusormaterialet, och ett mjukt behagligt ljud i nästan hela området, men de har dåliga impulsparametrar (brist på klarhet). Dessutom kan en mjuk diffusor fästas på en diffusorhållare utan upphängning;
- pappersdiffusorer skiljer sig, eftersom de ger en mycket karakteristisk färgning av ljudet, för att eliminera vilka olika syntetiska och naturliga fibrer som tillsätts papperet, diffusorn är lackad etc. Pappersdiffusorer är lättare att tillverka och låter dig i vissa fall gör en diffusor, upphängning och lock av ett material.
Diffusorer kan vara:
- dome , vanligtvis används i diskanthögtalare;
- kon - mer spridd på grund av större mångsidighet. De används nästan aldrig bara i diskanthögtalare på grund av strålningens riktverkan. Det finns flera typer av kondiffusorprofiler:
- linjära är så stela som möjligt, men med ett maximalt resonansvärde, när den längsgående kompressionsvågen av materialet från spolen resonerar med den tvärgående vågen av själva skalet;
- cirkelsegment låter dig jämna ut resonansen;
- exponentiell gör att du kan jämna ut resonansen mer effektivt.
- platta koner används sällan, främst i bashögtalare, på grund av mycket hög intermodulationsdistorsion.
Mindre vanliga diffusorer av en mer komplex form, till exempel korrugerad , som kombinerar en kon och flera upphängningar i en del samtidigt - denna lösning används för små bredbandshögtalare för att minska intermodulationsdistorsion och utöka utbudet av reproducerbara frekvenser.
Andra viktiga resonanser hos diffusor-upphängningssystemet beror också på formen på generatrisen och materialets styvhet. Alla mjuka diffusorer har en karakteristisk dipp och sedan en ökning av frekvensgången, när svängningarna går utanför diffusorn och upphängningen kommer i funktion.
Det bör också beaktas att om dynamiken är jämn i det oändliga planet för frekvensgången, då i ett plan 200 mm brett, kommer frekvensgången att stiga i området 700-900 Hz, så diffusorerna som ger en dip i detta område kommer att ha ett platt frekvenssvar i fallet, och inga ytterligare korrigeringskretsar kommer att behövas, och vissa tillverkare tar hänsyn till detta.
Cap
Dammskyddet är ett sfäriskt skal, som, samtidigt som det skyddar magnetkretsens arbetsgap från damm, också är en periferisk förstyvande ribba. Dessutom är locket ett strålande element som bidrar till bildandet av frekvenssvaret i mellan- och högfrekvenserna. För att säkerställa strukturell styvhet görs kapsyler som regel kupolformade med olika krökningsradier. Cellulosakompositioner , syntetiska filmer, impregnerade tyger används som material . Kraftfulla lågfrekventa högtalare använder ibland metallkåpor, vilket gör att de kan användas som ett extra element för att ta bort värme från talspolen. Men för konstruktioner med lock uppstår hög-Q-resonanser i utrymmet mellan locket och spolen, så vissa tillverkare istället för caps sätter fasutjämnande "kulor" som inte introducerar sina egna distorsioner.
Centreringsbricka
En speciell bricka är installerad mellan diffusorn och högtalarhuset, som ska säkerställa stabiliteten hos resonansfrekvensen hos lågfrekventa högtalare under förhållanden med dynamiska och termiska belastningar, linjäriteten hos elastiska egenskaper vid stora förskjutningar av det rörliga systemet, förhindra förskjutning av talspolen i radiell riktning och "sänkning" av det rörliga systemet, och skyddar även magnetiska gap mot damm. Normalt använder lågfrekventa högtalare centreringsbrickor med en sinusformad korrugering (antalet korrugeringar varierar från 5-7 till 9-11), platta eller "överbryggade". Men i vissa modeller finns det brickor av mer komplexa konfigurationer (till exempel tangentiella), som, enligt företagen som använder dem, ger större linjäritet av elastiska egenskaper, formstabilitet etc. Inledningsvis hade centreringsbrickan en helt annan design: den var fäst vid kärnan av det magnetiska systemet och insidan av talspolen. En sådan bricka hade ett distinkt utseende, vilket gav den namnet "spindel", som har överlevt på vissa språk trots att moderna centreringsbrickor har en helt annan design.
Naturliga aramidtyger (som calico , grov calico etc.) impregnerade med bakelitlack, syntetiska tyger baserade på polyamider , polyester , nylon etc. används som material för brickor. Vissa lågfrekventa högtalare använder brickor, vars material är vävda metalltrådar (aluminium, koppar), som enligt tillverkarna förbättrar värmeavledningen från talspolen.
Röstspole och magnetsystem
En talspole är en spole med tråd , som är placerad i gapet i magnetkretsen och ger, tillsammans med högtalarens magnetsystem, omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk energi. Högtalarens magnetiska system består vanligtvis av en ringmagnet och en kärna, i gapet mellan vilka talspolen rör sig utan att vidröra väggarna. Av stor betydelse är likformigheten av det magnetiska fältet inom spolens slag, för vilket magneternas poler är utformade på ett speciellt sätt, och ett kopparlock sätts på kärnan. För att minska massan på spolen (vilket är särskilt viktigt i diskanthögtalare) använder tillverkare ibland aluminiumtråd, inklusive kopparpläterad tråd. Elektrisk ström tillförs spolen med hjälp av flexibla trådar, som är trådar lindade på en syntetisk tråd. Ledningarna är ofta fästa i konen så att de inte vidrör andra delar av högtalaren under drift. De motsatta ändarna av ledningarna är anslutna till anslutningsblocket som är placerat på basen av högtalaren (till vilken ledarna i den elektriska kretsen i enheten där högtalaren är installerad är lödda). Typiskt är terminalerna märkta med "+" och "-"-tecken, vilket gör att du kan utföra korrekt fasning (common-mode-inkludering) av huvuden som utgör högtalarsystemet . Diffusorer av huvudena, påslagna i fas, förskjuts vid varje tidpunkt i en riktning (inåt eller utåt), vilket kan styras visuellt genom att kort applicera en liten konstant spänning på huvudena.
Hur det fungerar
När en elektrisk signal av en ljudfrekvens appliceras producerar spolen forcerade svängningar i fältet av en permanentmagnet under verkan av Ampère - kraften vinkelrät mot magnetfältslinjerna, vilket medför diffusorn och skapar sällsynthet och kompressionsvågor i luften genom Det. Länken mellan diffusor och spole oscillerar med frekvensen av den pålagda strömmen. Med en liten tjocklek av de magnetiska kärnorna som bildar gapet, fungerar bara en liten del av spolen, ungefär lika med tjockleken på gapets magnetiska kärnor. De delar av spolen som går utanför gapet fungerar nästan inte, sådana högtalare har en mycket låg effektivitet . Kraften som verkar på spolen kan beräknas genom att tillämpa Ampères lag
,
var är magnetfältsinduktionen i gapet, är strömmen som passerar genom spolen, är den del av spoltrådens längd som är placerad i gapet i magnetkretsarna.
,
där är antalet varv av spolen i gapet, är spolens diameter.
,
var är tjockleken på de magnetiska kretsarna som bildar gapet, är diametern på spoltråden.
För att öka högtalarens effektivitet är det nödvändigt att öka tjockleken på de magnetiska kretsarna som bildar gapet, medan proportionellt mot ökningen av gapet minskar den magnetiska induktionen i gapet , men den relativa arbetsdelen av spolen ökar det vill säga den relativa arbetsdelen av spoltrådens längd till ett visst värde, varefter den relativa arbetsdelen av spoltrådens längd börjar minska. När amplituden för den elektriska signalen för ljudfrekvensen ändras ändras även diffusorns position. Eftersom den elektriska signalen för ljudfrekvensen som appliceras på spolen har en frekvens inom hörbarheten av det mänskliga örat (16-20 000 Hz ), oscillerar diffusorn också i förhållande till permanentmagneten med samma frekvens.
Den faktiska oscillationsfrekvensen för diffusorn för de flesta dynamiska huvuden och intilliggande luftlager ligger i intervallet cirka 300-12 000 Hz, och ju mindre och enklare högtalaren är, desto mindre är detta frekvensområde och desto mindre linjär är dess amplitud-frekvensrespons . Vid frekvenser utanför detta område är den utstrålade effekten försumbar. För att återge de lägsta frekvenserna (cirka 16-250 Hz) är små dynamiska huvuden helt olämpliga.
En oscillerande diffusor skapar ljudvågor i luften som uppfattas av det mänskliga örat. Med hjälp av ett dynamiskt huvud omvandlas således den elektriska signalen för ljudfrekvensområdet från förstärkaren till ljud.
När man spelar de lägsta frekvenserna från frekvensområdet som återges av högtalaren fungerar hela diffusorns yta, och när man spelar de högsta frekvenserna från frekvensområdet fungerar bara dess centrala del, som är placerad ovanför spolen. Därför, i full-range högtalare, är ett metall-, polymer- eller pappersöverlägg ofta arrangerat i mitten - en kupol för att förbättra återgivningen av höga frekvenser.
Dynamiska huvudspecifikationer
När man bestämmer huvudets kraftparametrar bör det beaktas att de i Sovjetunionen vid olika tidpunkter uttrycktes annorlunda - fram till 1985 enligt GOST 9010, senare enligt OST 4.383.001, vars krav är närmare internationella standarder.
De viktigaste tekniska egenskaperna hos det dynamiska huvudet är som följer.
- Typen av dynamiskt huvud är full-range (bredband - GDSh, dynamiskt bredbandshuvud), lågfrekvent (GDN), mellanfrekvens (GDS), högfrekvent (GDV).
- Nominell diameter - som regel ytterdiametern på diffusorhållaren (ram). Mer sällan - diametern på diffusorupphängningen eller avståndet mellan motsatta monteringshål. För kompressionsförare, hornets halsdiameter.
- Effekt - flera effektvärden kan anges:
- Effekt enligt DIN 45500 - effekt (sinusformad eller musikalisk), vid vilken signalförvrängning inte överstiger 1%. I Sovjetunionen fanns det ett liknande begrepp om nominell makt , för vilket dock ingen standardnivå för distorsion fastställdes;
- Limit, RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) - den ingående sinusformade kraften som huvudet tål i en timme utan att förstöras. Huvudet kan förstöras med mycket mindre kraft om högtalaren belastas utöver dess mekaniska kapacitet vid mycket låga frekvenser (t.ex. elektronisk musik med mycket bas eller orgelmusik ), och förstörelse kan också orsakas av överbelastning ("klippning") av förstärkare. I Sovjetunionen användes en liknande parameter - namnskyltkraft, men den mättes på en brussignal i 100 timmar;
- Peak (kortsiktig) effekt ( PMPO ) är den effekt som en högtalare kan hantera under en kort tid. I Sovjetunionen standardiserades denna tid till 1 sekund, medan denna parameter för närvarande inte är standardiserad. Det kan vara tio gånger mer än märkeffekten. På 1990-talet tryckte många tillverkare av lågpriselektronik i Kina denna effektklassificering på sina produkter, men denna kraft är inte vettig för slutkonsumenten.
- Impedans (nominell impedans) - som regel har dynamiska drivrutiner en impedans på 2, 4, 8 eller 16 ohm. Dynamiska hörlurshuvuden har högre impedans (32 ohm eller mer). Ju högre impedans huvudet har, desto mer ljudfrekvensspänning måste appliceras på huvudet för att uppnå märkeffekt. Därför kanske högimpedanshuvuden inte utvecklar maximal effekt när de arbetar från en UMZCH som har en otillräckligt hög matningsspänning (bärbar utrustning med lågspänningsströmförsörjning), och lågimpedanshuvuden kommer att skapa en överbelastning (av förstärkaren och sig själva) om den är ansluten till en förstärkare med hög utspänning avsedd för högimpedanshuvuden.
- Frekvenssvar - det uppmätta eller deklarerade utsvaret över ett givet frekvensområde med en insignal med konstant amplitud över hela det givna området. Som regel anges en gräns för avvikelser av karakteristiken, till exempel "± 3 dB".
- Thiel-Small- parametrarna är en uppsättning elektroakustiska parametrar som karaktäriserar huvudet som ett oscillerande system.
- Känslighet är den ljudtrycksnivå som produceras av ett dynamiskt huvud när en 1 W-signal appliceras, mätt på ett avstånd av 1 m från huvudet. Känsligare dynamiska huvuden skapar det erforderliga ljudtrycket ( ljudvolym ) vid en lägre signaleffekt, vilket möjliggör användningen av en mindre kraftfull UMZCH.
- Den maximala ljudtrycksnivån är det maximala tryck som ett huvud kan utveckla utan att skada sig själv eller utan att överskrida en given distorsionsnivå. Beror till stor del på huvudets känslighet och dess kraft. Denna parameter ges som regel mätt på ett godtyckligt (efter tillverkarens bedömning) frekvensområde och signaltyp.
Applikation
För högkvalitativ signalåtergivning måste en högtalare återge en signal i ett brett frekvensområde med låg distorsion (icke-linjär, intermodulation, frekvens, etc.), i ett brett dynamiskt område och med högsta möjliga effektivitet . Alla dessa krav kan inte beaktas vid utformningen av ett enkelt dynamiskt huvud. Dessutom, på grund av fenomenet akustisk kortslutning, är det omöjligt att skapa ett öppet dynamiskt huvud som tillfredsställande fungerar vid medelhöga och låga frekvenser. För att utöka frekvensområdet kan en diffusor av komplex form (korrugerad, med en extra kon, etc.) användas. För högkvalitativ ljudåtergivning används dock komplexa akustiska system , bestående av flera smalare bandhuvuden, och inkluderar även akustiska designverktyg för att öka effektiviteten och skapa de erforderliga högtalaregenskaperna ( direktivitetsmönster , frekvenssvar , etc.).
Anordningen för det elektrodynamiska huvudet, på grund av egenskapen reversibilitet , är i princip identisk med enheten för en dynamisk mikrofon , och därför kan dessa enheter bytas ut. Till exempel, i många konstruktioner av intercoms, intercoms och till och med i lyssningsenheter som en gång monterades av specialtjänster i trådbundna sändningsmottagare, kunde dynamiska huvuden användas som en ljudmottagare - en mikrofon.
Anteckningar
- ↑ V.G. Lukacher. Högtalarsystem // Radiofront. - 1936. - Nr 5 (mars).
- ↑ Steven E. Schoenherr. Högtalare Historia . Audio Engineering Society (2001). Hämtad: 6 maj 2016.
- ↑ Steven E. Schoenherr. Rice-Kellogg (engelska) . Audio Engineering Society (2001). Hämtad: 6 maj 2016.
- ↑ R.M. Tereshchuk, K.M. Tereshchuk, S.A. Sedov. Halvledarmottagnings-förstärkare / A.E. Stepanov. - Kiev: Naukova Dumka, 1982. - S. 91. - 672 sid. - 330 000 exemplar.
Litteratur
- Elektrodynamisk högtalare - artikel från Great Soviet Encyclopedia .
- Pavlovskaya V. I., Kacherovich A. N., Lukyanov A. P. Akustik och elektroakustisk utrustning. 2:a uppl. — M.: Konst, 1986
- Akustik. Katalog. Ed. M. A. Sapozhkova. - M .: Radio och kommunikation, 1989.
- Korolkov V. G., Sapozhkov M. A. Handbok för akustik. Under totalt ed. M. A. Sapozhkova. - M .: Radio och kommunikation, 1979.
- Aldoshina I. A. Elektrodynamiska högtalare. - M .: Radio och kommunikation, 1989.
- Aldoshina I. A., Voishvillo A. G. Högkvalitativa akustiska system och sändare. - M .: Radio och kommunikation, 1985.
- Iofe VK, Lizunkov MV Hushålls akustiska system. - M .: Radio och kommunikation, 1984.
- Vinogradova EL Konstruktion av högtalare med utjämnade frekvensegenskaper. - M .: Energi, 1978.
- Ephrussi M. M. Högtalare och deras tillämpning. - M .: Energi, 1971.
- V. V. Furduev . Elektroakustik. — M.; L.: typ. "Skriva ut. gård", 1948. - S. 175-242. — 515 sid. - (Phys.-Math. Ingenjörsbibliotek). - 6000 exemplar. — ISBN 9785458387644 .
Normativ-teknisk dokumentation
- GOST 16122-87. Högtalare. Metoder för att mäta elektroakustiska parametrar.
- GOST 23262-88. Akustiska hushållssystem. Allmänna specifikationer.
- GOST 27418-87. Utrustningen är radio-elektronisk hushåll. Termer och definitioner.
- GOST 9010-84. Högtalarhuvuden dynamisk direktstrålning. Allmänna specifikationer.
- OST 4.383.001-85. Högtalarhuvuden är dynamiska. Allmänna specifikationer.