Громкоговорители и телефоны

В пьезоэлектрических телефонах используются пьезоэлектрические синтетические пленки. Фирма "Пайонир" применяет пленку поливинилиденфлуорид. Она имеет разную толщину (от 8 до 30 мкм), малую жесткость и удовлетворительные пьезоэлектрические параметры. Качество такого телефона достаточно высокое. При этом он не требует напряжения поляризации (см. ниже описание электростатических громкоговорителей).

Диффузорные электродинамические громкоговорители. В диффузорном громкоговорителе диффузор (рассеиватель),входящий в его механическую подвижную систему, выполняет функции преобразования механических колебаний в акустические и излучения звука.

Процесс излучения звуковых волн довольно прост: при своих колебаниях диафрагма приводит в движение частицы прилегающего к ней воздуха, создавая попеременно его сжатие и разрежение. Колебания этих частиц передаются соседним слоям воздуха и т. д., создаются волны сжатия и разрежения, которые движутся со скоростью звука вдаль. На рис. 2 приведен схематический чертеж электродинамического громкоговорителя. Принцип его действия заключается в том, что катушка с накатанным на нее проводом; находящаяся в радиальном магнитном поле, при пропускании через нее переменного тока i испытывает действие силы F = Bli где В - индукция в зазоре; l - длина провода.

Эта сила приводит в движение диффузор, жестко скрепленный с катушкой (называемой звуковой) и подвешенный к корпусу по внешнему краю, а также центрируемый шайбой. В результате диффузор является поршневым излучателем и имеет одну степень свободы колебаний (только по осевому направлению). Магнитное поле создается кольцевым постоянным магнитом (в ряде громкоговорителей магнитом служит керн) и магнитной цепью из двух фланцев и керна. Между керном и верхним фланцем есть кольцевой зазор, в котором размещена звуковая катушка, свободно колеблющаяся в нем. Чтобы диффузор не изгибался как мембрана и для создания необходимой жесткости, ему обычно придают Форму усеченного конуса с круговым или эллиптическим основанием. Тем не менее на высших частотах диффузор, изгибаясь, колеблется как мембрана: волны изгиба двигаются от центра к периферии и обратно, создавая стоячие волны по радиусам диффузора. Для больших диаметров диффузора (около 25 см) эти колебания начинают появляться на частотах выше 1500 Гц, для меньших - на более высоких частотах и воспринимаются слушателем как искажения звука.

Механическая колебательная система имеет резонансную частоту

Wм = 1/sqr(mcm), которую называют частотой механического резонанса (m - масса подвижной системы; Сm- ее гибкость. Ниже частоты механического резонанса среднее звуковое давление громкоговорителя резко падает. Практически для широкополосных громкоговорителей не удается уменьшить частоту механического резонанса до 60 .70 Гц. Следовательно, нижняя граница передаваемого диапазона частот не менее 50 .60 Гц, а в большинстве случаев не менее 70 .80 Гц. Частоту, выше которой диффузор колеблется как мембрана, можно повысить (при сохранении его массы и размеров), придав диффузору большую жесткость. Эта достигается утолщением стенок диффузора с уменьшениемих толщины к периферии.

Одновременно с этим уменьшают плотность материала, например делают его пористым (без сквозных пор). Применяется различная пропитка материала диффузора, поэтому в диапазоне частот, в котором диффузор колеблется как мембрана, частотная характеристика получается очень изрезанной (рис. 3). Но так как слух человека из-за достаточно широких критических полосок слуха сглаживает частотную характеристику, то не все пики и провалы заметны на слух. Частотная зависимость осевой чувствительности громкоговорителя (отношение звукового давления на оси к подводимому напряжению) без учета резких пиков и провалов близка и равномерной до частот примерно 6 .7 кГц (см. рис. 3). Это объясняется тем, что с увеличением частоты перестает колебаться внешняя, часть диффузора. Выше 7 .8 кГц частотная характеристика круто падает. Все это относится к несоставным громкоговорителям, рассчитанным для работы в широком диапазоне частот.

Верхнюю границу диапазона частот повышают до 10 .12 кГц, например, кольцевой гофрировкой диффузора. При этом с увеличением частоты перестают колебаться один за другим внешние участки диффузора, одновременно уменьшается возможность колебания его как мембраны. Другой способ - применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора (рис. 4).

В этих случаях на высоких частотах основной диффузор перестает работать из-за относительно гибкого соединения его со звуковой катушкой и в работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий. Чувствительность (эффективность излучения) громкоговорителя на высоких частотах повышают, уменьшая индуктивность звуковой катушки, например, с помощью вихревых токов Фуко; уменьшение индуктивности снижает ее электрическое сопротивление и приводит к возрастанию тока на высоких частотах. Для этого на керн надевают насадку в виде медного колпачка е разрезом. На низких частотах чувствительность громкоговорителя повышают, применяя специальные акустические оформления.

Направленность одиночных диффузорных громкоговорителей неявно выражена из-за малости поверхности излучения; она проявляется в диапазоне высоких частот.

Наибольшая подводимая к головке электрическая мощность ограничена значением, при котором коэффициент гармоник не превышает нормы, установленной ГОСТом или техническими условиями (обычно не более 5 .10% на частотах 100 .200 Гц). Этот параметр называют номинальной мощностью, выражают ее в ваттах, указывают в паспорте или другом документе на головку. В настоящее время громкоговорители выпускаются мощностью 0,025 .50 Вт. КПД головки громкоговорителя (отношение излучаемой акустической мощности к подводимой электрической)снижается при уменьшении ее размеров, так как одновременно уменьшаются площадь поверхности диффузора, объем провода катушки и индукция в зазоре. Поэтому у малогабаритных громкоговорителей значение КПД очень мало: в основном составляет 0,2 .0,5%, не превышая даже у самых мощных 1 .2%. Чтобы скомпенсировать уменьшение звуковой отдачи, сопутствующее снижению КПД, к громкоговорителям малогабаритных акустических систем приходится подводить существенно большую мощность. Среднее стандартное звуковое давление, создаваемое современными динамическими головками, составляет 0,1 .0,3 Па. Нелинейные искажения в диффузорных громкоговорителях в основном создаются из-за нелинейности механической системы в центрирующей шайбе и подвесе диффузора и из-за неравномерного распределения индукции в зазоре. Коэффициент нелинейных искажений на частотах около 100 Гц доходит до:1О% и более. Для его уменьшения применяют центрирующие шайбы, имеющие сложную конфигурацию и выполненные из специальных материалов, гофрированные подвесы, а также полюсные наконечники такой формы, при которой создается: более равномерное поле в зазоре. Для маломощных громкоговорителей высоту звуковой катушки делают больше высоты зазора, вследствие чего число пересекаемых силовых линий не зависит от амплитуды колебаний. В электродинамических громкоговорителях возможно появление субгармонических искажений, в результате которых создаются составляющие с частотами, равными половине частоты колебаний диффузора. Эти субгармоники появляются в тех случаях, когда образующая диффузора прямолинейна, т.е. когда диффузор имеет коническую форму. Чтобы уменьшить возможность возникновения субгармоник, образующей диффузора придают криволинейную форму (например, экспоненциальную).

Внутреннее сопротивление громкоговорителей обычно составляет несколько ом. Для согласования его с сопротивлением приемника, трансляционной линии и т.п. применяют трансформаторы. При этом входное сопротивление громкоговорителей с трансформатором определяется номинальным напряжением источника мощности и номинальной мощностью громкоговорителя Zbx =Uном/Pном.

Рупорные излучатели. Основным недостатком громкоговорителей непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причина этого заключается в несогласованности сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для повышения сопротивления излучения нужно увеличивать размеры излучателя, но это повлечет рост механического сопротивления массы излучателя и не даст выигрыша в КПД. Поскольку диффузор выполняет две функции: преобразования механических колебаний в акустические и излучения этих колебаний в окружающую среду, разрешить такое противоречие можно только разделением этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях, Рупор служит также для согласования сопротивлений механической системы и окружающей среды. Рупором называют трубу с переменным сечением. Входное отверстие излучающего рупора (горло) меньше, чем выходное (устье). Выходное отверстие является излучателем, а входное - нагрузкой для механической системы. Таким образом, излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая система - небольшой и потому легкой.

Рупоры применяют с различным законом изменения поперечного сечения. Наиболее распространены рупоры экспоненциальные; реже применяются конические, так как они имеют значительно менее равномерную амплитудно-частотную характеристику. Для острой направленности и более низкой границы передаваемого диапазона частот следует увеличивать выходное отверстие рупора и выбирать рупор большей длины. Для увеличения длины рупор часто свертывают или складывают (рис. 4). С аналогичными явлением мы сталкиваемся в духовых музыкальных инструментах: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.

Для концентрации или расстояния звуковых волн применяются акустические линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения (например, скорость распространения звуковых волн в пористых материалах или в решетках и жалюзи пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве). К недостаткам рупора можно отнести нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в горле рупора, а также частотные искажения в рупорах конической формы. Рупорные электродинамические громкоговорители имеют два конструктивных варианта: узко- и широкогорлые. Площадь входного отверстия рупора в узкогорлых громкоговорителях в несколько раз меньше площади поршневой диафрагмы, в широкогорлых - эти площади или одинаковы, или близки друг к другу.

Электростатические громкоговорители делятся на конденсаторные, электретные и пьезогромкоговорители.

Рис. 5. Конденсаторный громкоговоритель:

а - конструкция (1 - массивный электрод; 2 - гибкий электрод с изоляцией; 3 - натягивающий винт); б - схема включению.

На рис.5 , а приведена схематическая конструкция конденсаторного громкоговорителя. На ребристом полуцилиндре с помощью винта натянута тонкая металлическая фольга, с внутренней стороны облицованная диэлектриком, или полимерная пленка, снаружи покрытая металлом. Поверхности полуцилиндра и фольга служат электродами конденсатора. Между электродами приложено поляризующее напряжение U0. На эти электроды подается еще переменное напряжение U; сила притяжения электродов F = (U0+ U)2 S/8пd2 где S - площадь электродов; d - расстояние между ними. При U < U0 можно пренебречь квадратичной составляющей, тогда переменная сила F = СU0U/d, так как С =. S/4пd Следовательно, сила, действующая на гибкий электрод, определяется отношением поляризующего напряжения к межэлектродному расстоянию U0/d, емкостью конденсатора С и переменным напряжением. Коэффициент электромеханической связи громкоговорителя обратно пропорционален частоте, а электрическая характеристика i/ U = wС прямо пропорциональна ей, т. е. они компенсируют друг друга, что выравнивает чувствительность на высоких частотах;

Конденсаторный громкоговоритель используют, как правило, в качестве высокочастотного элемента акустических систем. Например, при внешних размерах 15 х 10 см и длине волны не более 8 см (т. е. на частоте 4250 Гц) его коэффициент излучения не зависит от частоты. Для получения частотно-независимой чувствительности частоту резонанса механической системы выбирают на нижней границе передаваемого диапазона частот, последовательно с громкоговорителем, включая активное электрическое сопротивление R6 (рис. 5, б), которое уменьшает падение напряжения на громкоговорителе с увеличением частоты за счет роста тока через емкость. Значение отношения U0/d ограничено электрической прочностью пленки, поэтому чувствительность зависит только от размеров излучателя. Разработаны громкоговорители конденсаторного типа и на широкий диапазон частот (например, АСЭ-1), но производство их очень дорого.

Электретные громкоговорители отличаются от конденсаторных применением э них электретной пленки, заранее наэлектризованной. Поляризующее напряжение образуется предварительной электризацией одного иэ электродов, изготовляемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов и имеющего металлическое покрытие. Оно является электродом конденсатора, а электрет - источником поляризующего напряжения. Поляризация электрета постепенно уменьшается и через несколько лет требуется его замена или повторная поляризация. В этом заключается как недостаток электретного громкоговорителя по сравнению с конденсаторным, так и его достоинство, поскольку для него не требуется источник напряжения. По механическим и акустическим характеристикам электретный громкоговоритель не отличается от конденсаторного.

Пьезогромкоговорители. Край пластинки из сегнетовой соли или пьезокерамики связывают с диффузором и получают громкоговоритель непосредственного излучения, коэффициент электромеханической связи которого такой же, как конденсаторного. Малая климатическая стойкость сегнетовой соли, низкая чувствительность пьезокерамики, большая неравномерность частотной характеристики, высокое входное сопротивление и большие нелинейные искажения ограничивают применение пьезогромкоговорителей.

Микрофоны

Микрофоном называют устройство, которое преобразует механические колебания воздушной среды в электрические колебания.

Микрофоны классифицируют по следующим признакам:

§ по особенностям приёма звуковых колебаний,

§ по принципу преобразования акустических колебаний в электрические,

§ по классам качества.

Элементом конструкции микрофона, воспринимающим звуковые колебания, является мембрана. В зависимости от того, как взаимодействует мембрана со звуковым полем, существенно зависят характеристики микрофона. Возможно несколько вариантов взаимодействия.

Если для воздействия звуковых волн доступна только одна сторона поверхности мембраны, то такой микрофон называют приёмником давления.

В том случае, когда длина волны больше геометрических размеров микрофона, волны огибают корпус микрофона и звуковое давление p не зависит от ориентации мембраны в звуковом поле. Следовательно, сила (S - площадь поверхности мембраны), действующая на мембрану, не зависит от её положения в пространстве. Микрофон будет принимать звуковые сигналы со всех направлений одинаково, т.е. будет ненаправленным. Если размеры корпуса микрофона больше, чем длина волны, то звуковое давление у поверхности мембраны при нормальном падении волн удваивается по сравнению с давлением в свободном поле (звуковое давление падающей и отраженной волн складываются). При падении волн под углом к нормали звуковое давление будет уменьшаться из-за изменения коэффициента отражения и затенения мембраны корпусом, т.е. условия приёма колебаний с разных направлений неодинаковы. Микрофон приобретает направленность.

Введем понятие акустической чувствительности микрофона Еа, как отношение силы, действующей на мембрану, к величине звукового давления. На длинных волнах акустическая чувствительность , т.е. постоянная влияния, не зависящая от направления прихода волн. Изобразим график зависимости акустической чувствительности микрофона от угла между нормалью к поверхности мембраны и направлением прихода звуковых волн. В дальнейшем этот график будем называть диаграммой направленности микрофона. Если на графике откладывать не абсолютную чувствительность , а значения , то получим нормированную диаграмму направленности микрофона.