Устройство динамиков и головных телефонов

Головной телефон как и звуковой динамик устройства предназначенные для преобразования электрических сигналов в акустические колебания и передачи их в окружающюю среду. В рамках данной статьи поговорим об устройстве и конструкции динамиков, а также об их истории появления в этом мире.

Немного из истории появления динамика

Предков у современного акустического динамика и головного телефон в исторической паралели вполне хватает, каждый из них пытается доказать свое первенство. Считается, что Александр Белл первым запатентовал первую в мире электродинамическую головку как одну из составных частей своего телефона в 1далеком 1876 году текущего цикла.

Практически в то же время Томас Эдисон получил британский патент на систему, использовавшую сжатый воздух в роли механизма усиления звука в его первых валиковых фонографах, и в конечном итоге использовал типовой металлический рупор, колебания воздуха в котором осуществлялись с помощью мембраны, связанной с иглой. В 1898 г. изобретатель Х. Шорт представил конструкцию динамической головки, управление которой осуществлялось с помощью сжатого воздуха.

Устройство головного телефона

В двадцатых годах, 20 века был налажен серийный выпуск головных телефонов, когда их конструкции стали более менее оптимальными. Широкое распространение они получили у связистов, военных, аудиометристов и спецслужб. Несмотря на то что прошел почти век, их конструкция и устройство практически не потерпело изменений сохранившись по настоящее время, как и их название - головные телефоны.

Конструкция головного телефона

В пластмассовый корпус головного устройства вмонтирован постоянный магнит с магнитопроводом. На создаваемый им магнитный поток этого устройства накладывается переменный поток звуковой частоты, генерируемый надетыми на магнитопровод катушками индуктивности, к которым через клеммы подключается напряжение звуковой частоты. Перед полюсными наконечниками магнита расположена мембрана. Под воздействием переменного и постоянного магнитного потока она колеблется в такт с переменным магнитным потоком и воспроизводит акустическую волну, которую способно слышать человеческое ухо. Из рисунка выше видно, что данная конструкция накладывает на качество звучания таких излучателей некоторые ограничения, несовместимые с применением в современных звуковых устройствах. В данном случае применяются устройства со звуковыми излучателями электродинамического принципа работы.

Устройство и конструкция динамиков

Современные динамические головки бывают разных видов полно-диапазонная (широкополосная ГДШ, головка динамическая широкополосная), высокочастотная (ГДВ), среднечастотная (ГДС) и низкочастотная (ГДН).

С задней части их корпуса расположена магнитная система, состоящая из кольцеобразного магнитаиз специальной керамики или магнитных сплавов. В магнитной части имеются стальные фланцы и цилиндр - называемые керн. Только в одном месте, где имеется кольцеобразный воздушный зазор стальная магнитная цепь будет разрываться. Тут находится подвижная катушка, или как ее многие называют звуковая катушка. Чтобы не ослаблять магнитное поле, охватывающее витки этой катушки, зазор для нее должен быть очень маленьким, расстояние между стенками туннеля в котором она перемещается и катушкой, измеряется от долей миллиметра, до максимум миллиметра. Катушка подвешена на эластичной центрирующей шайбе.

К катушке динамика прицеплен диффузор конической формы, отлитый или спрессованный из специальной бумажной массы. Именно он, перемещаясь одновременно с катушкой, подобно поршню в насосе, увлекает за собой приличную воздушную массу. На отдельной плате или на самом диффузоре закреплены две медные заклепки к которым подключены выводы катушки индуктивности. От выводов динамика отходят два гибких медных провода. В зависимости от типа и акустического дизайна устройства для более эффективного звучания в определенной звуковой частотной полосе используются дополнительные конструктивные компоненты.

Обозначение динамиков и головных телефонов на схеме

Условное графическое обозначение акустических устройств, преобразующих электрические колебания в звуковые волны головных телефонов и динамиков выполнены на основе базовых символов, упрощенно повторяющих их боковую проекцию.

Конструкция и устройство типовых громкоговорителя

Простейший электростатический динамик устроен устроен следующим образом: пленка располагается параллельно плоской металлической пластины с отверстиями для свободного воздушного прохода воздуха. Зазор (d) междуповерхностью и пленкой стараются сделать как можно тоньше, но при этом, необходимо выполнить условие, чтоб ничто не мешало колебаниям пленки.

Если между пленкой и пластиной приложить напряжение Un около ста вольт с наложенными на него колебаниями звуковой частоты, то в воздушном зазоре генерируется электрическое поле, вызывающее притяжение пленки и пластины, тем самым образуя слышемый чеовеческим ухом звук.

Конструкция и устройство электростатического громкоговорителя

Размеры пластин г 160 на 180 мм, каждая имеет множество отверстий диаметром по 2 мм. Пластины должны быть с небольшой вогнутостью со стороны фольги, иначе потребуются разделительные прокладки.

Устройство излучательной части динамика

Пластины 1 расположены фольгой друг к другу, между ними расположен лист пластиковой пленки 2 с правой металлизацией, и вся система скреплена винтами 3 по углам. От фольги пластин идут выводы 4 динамика.

Устройстводинамика: Если естественной вогнутости у пластин нет, по периметру имеется прокладка из тонкого картона 5 с той стороны пленки, где нет металлизации.

Для снижения эффект «акустического короткого замыкания», динамик необходимо разместить в какой-либо корпусе.

Гораздо более лучшие акустические результаты можно увидеть у дифференциальной конструкции, в которых пленка не испытывает постоянной силы притяжения, благодаря наличию напряжения поляризации, и колеблется гораздо проще, встречая совсем малое сопротивление воздуха.

Технические параметры и свойства динамиков

Теория работы простейшего динамика - предельно легка для понимания процесса: приложенное напряжение U генерирует некоторое поле напряженностью Е = U/d. На заряд q в этом поле действует определенная сила F = qE. А звуковые колебания, создаваемые динамиком у самой мембраны: р = F/S, где S — площадь мембраны. Разделим все это на площадь и в результате получим р = qE/S. Величина о = q/S это поверхностная плотность заряда (условно считаем, что заряд равномерно распределен по всей поверхности пленки-мембраны). Тогда р = аЕ. Поверхностная плотность заряда непосредственно связана с напряженностью: е0Е = а, где е0 = 8,85*10-12 Ф/м — электрическая константа. Теперь, в окончательном варианте имеем: р = е0Е2. Выражение справа соответствует двойной объемной плотности энергии электрического поля и пропорционально звуковому давлению.

Вот почему стремятся увеличить напряженность поля (напряжение между пластиной и пленкой) и снизить зазор d между ними. Предел также накладывает электрическая прочность воздуха — слишком большая напряженность, может вызвать тихий или даже коронный разряд.

Звуковое давление будет пропорционально квадрату напряженности поля, поэтому, и приложенного напряжения U не зависит от полярности, это и заставляет использовать, кроме звукового, еще и постоянное поляризующее напряжение. Для уменьшения «квадратичных» искажений выбирают намного больше напряжение.

При подаче сигнала звуковой частоты, катушка устройства осуществит вынужденные колебания в поле постоянного магнита под действием силы, увлекая диффузор и через неё создавая волны сжатия и разрежения в воздухе. Устройство связки катушка-диффузор колеблется с той же частотой, что и ЗЧ. При небольшой толщине магнитопроводов, образующих зазор, работает только малая часть катушки индуктивности, приблизительно равная толщине зазора магнитопроводов. Выходящие за пределы зазора части индуктивности почти не учавствуют в процессе, у таких динамиков очень низкий КПД. Силу, действующую на катушку индуктивности можно вычислить, по известному из курса физики - закону Ампера.

F=B×I×l

Где B - индукция магнитного поля l - часть длины индуктивности I-ток проходящий через катушку.

Для повышения КПД динамика требуется увеличивать толщину магнитопроводов, которые образуют зазор, при этом пропорционально увеличению зазора падает магнитная индукция в зазоре, но увеличивается рабочая часть индуктивности

Номинальный диаметр dном. - Внешний диаметррасстояние между противоположными крепёжными отверстиями или диффузородержателя. Для драйверов компрессионного типа это диаметр рупорного горла.

Номинальная мощность Pном - Электрическая мощность при переменном токе, которую разрешено подавать на динамик. Наиболее часто применяемые устройства имеют мощность 0,1; 0,5; 2; 3; 6 и 8 Вт, но, можно найти и гораздо большие громкоговорители мощностью 50, 100 и более ватт. Так как КПД динамиков не превышает 10%, то при подаваемой мощности, например в 1 Вт, звуковая мощность не выше 0,1 Вт. При подборе динамика, для акустических систем эта характеристика очень важна. Учтите также, что головка акустического устройств аможет быть разрушена гораздо меньшей мощностью, если динамик нагрузится сверх своих механических возможностей на очень низких частотах (например много баса в электронной музыке), также разрушение головки устройства может быть вызвано перегрузкой клипированием усилителя мощности.

Номинальное сопротивление или импенданс Zn По своей сути это комплексное сопротивление катушки при заданной частоте. Практически его можно определить, померив активное сопротивление индуктивности и умножив полученное значение на коэффициент 1,25. Наиболее часто применяемые громкоговорители обладают комплексным сопротивление от 2 до 8 Ом, но имеются и такие, у которых оно достигает значения 100 Ом. Например, если громкоговорители имеют мощность 1 Вт и комплексное сопротивление 4 Ом, то в номинальном режиме (т. е. при сильном звуке) на индуктивность действует переменное напряжение с амплитудой 2 Вольта, а протекающий ток имеет величину 0,5 А.

Частота воспроизведения Fвос Идеальным громкоговорителем считается тот, который воспроизводит с одинаковой сигналы сигналы высоких, средних и низких, звуковых частот (при одинаковой амплитуде). На самом деле высокие и низкие частоты воспроизводятся всегда немного слабее, чем средние. Полоса частот ограничивается тем диапазоном, при которых воспроизведение снижается на 30% относительно средних.

Параметры Тиля Смолла Fs, Qts, Qes, Qms, Vas Набор акустических параметров, который определяет поведение динамической головки в диапазоне низких частот. Эти технические характеристики, обычно публикуются в справочных спецификациях от производителей акустических систем.

Большинство аудиопараметров определяются только на резонансной частоте, но в принципе применимы во всем частотном диапазоне, в котором работает динамик в поршневом режиме. Расшифруем эти характеристики чуть более подробно.

Fs - частота основного резонанса динамика без корпуса. Описывает свойства только самого динамик, а не готовую акустическую систему построенную на его основе.

Qts полная добротность динамика - определяет относительные потери в устройстве. Чем она ниже, тем больше подавляется резонанс излучения и тем больше пик сопротивления на импедансной кривой. При установке в закрытый ящик существенно возрастает. Является безразмерной величиной.

Qes электрическая составляющая полной добротности, характеризует параметры мощности электрического тормоза, который препятствует раскачке диффузора около частоты резонанса. Обычно, чем сильнее магнитная система, тем более мощный тормоз и тем меньше численно этот параметр

Qms механическая составляющая полной добротности описывает потери в упругих элементах подвеса динамика. Потерь здесь на целый порядок меньше, чем в электрической составляющей, и численно Qms всегда больше Qes.

Vas эквивалентный объем динамика. Равен объему воздуха с такой же жёсткостью, что и у подвеса. Чем подвес жёстче, тем ниже параметр Vas. При одной и той же жёсткости, Vas увеличивается с ростом площади диффузора динамика.