Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Гучномовці та слухавки
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Пристрої побутової радіоелектроніки
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ІНСТИТУТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ, РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА
ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ
EMBED Word.Picture.6
Капустій Б.О., Якубенко В.М., Надобко О.В.
Гучномовці та слухавки
Конспект лекцій з навчальних дисциплін
„Пристрої побутової радіоелектроніки” та „Основи електроакустики”
для студентів базового напряму 6.000907 „Радіотехніка”
Затверджено
на засіданні кафедри
теоретичної радіотехніки
та радіовимірювань
Протокол №___від „___”______2009
Львів - 2009
Гучномовці та слухавки. Конспект лекцій з навчальних дисциплін „Пристрої побутової радіоелектроніки” та „Основи електроакустики” для студентів базового напряму 6.000907 „Радіотехніка” / Укл.: Капустій Б.О., Якубенко В.М., Надобко О.В. – Львів, Національний університет „Львівська політехніка”, 2009 – 22 с.
Укладачі: к.т.н., доцент Капустій Б.О.
к.т.н., доцент Якубенко В.М.
к.т.н., доцент Надобко О.В.
Рецензент: д.т.н., професор Русин Б.П.
Відповідальний за випуск: к.т.н., доцент Капустій Б.О.
Гучномовці та слухавки
Означення, системне представлення та класифікація гучномовців
Гучномовцем називається електроакустична система, яка здійснює пе-ретворення електричних коливань у механічні та випромінювання звукових хвиль.
При системному підході в гучномовці можна виділити такі підсистеми: електричну ланку, електромеханічний перетворювач, акустикомеханічну систему та антену.
Електрична ланка включає джерело електричних коливань з внутрішнім опором EMBED Equation.3 та вихідний електричний опір перетворювача . Вона виконує функцію узгодження електричного входу перетворювача з виходом останнього ступеня підсилення потужності. Під узгодженням тут підрозумівається забезпечення умов віддачі вихідним ступенем максимальної потужності при мінімальних частотних та нелінійних спотвореннях сигналу.
Електромеханічний перетворювач, використовуваний у гучномовці, працює в режимі двигуна, навантаженого на механічний опір EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 – власний опір акустичної системи гучномовця; EMBED Equation.3 – опір випромінювання.
Акустикомеханічна система виконує функцію узгодження частотних залежностей активного компонента опору випромінювання EMBED Equation.3 та власного механічного опору гучномовця.
Антена призначена для формування навантажувального опору випро-мінюючих діафрагм та створення напрямленості випромінювання гучномовця.
Класифікація гучномовців може бути проведена за різними ознаками. У більшості типів гучномовців відбувається перетворення електричної енергії в акустичну, однак випускаються й гучномовці, які працюють за релейним принципом. У таких гучномовцях енергія постійного потоку повітря перет-ворюється в акустичну енергію під дією акустичних або механічних коливань.
За типом використовуваного електромеханічного перетворювача розріз-няють електродинамічні, електростатичні, електромагнітні та п’єзоелектричні гучномовці. У межах кожного виду перетворення гучномовці класифікують за типом звукової антени, яку називають акустичним оформленням гучномовця. Отже, за типом акустичного оформлення розрізняють: гучномовець з екраном, гучномовець із закритим ящиком, гучномовець з ящиком-резонатором, гучномовець-звукову колонку, гучномовець з рупором.
Гучномовці з першими чотирьома типами акустичного оформлення об’єднують під спільною назвою гучномовців прямого випромінювання, оскільки в них поверхня діафрагми випромінює акустичну енергію безпо-середньо в навколишнє середовище, у той час як в рупорного гучномовця діафрагма зв’язана із зовнішнім середовищем через рупор.
Технічні характеристики гучномовців
Робота гучномовців оцінюється за допомогою ряду технічних показників та характеристик.
Номінальна потужність Pном – максимальна підведена електрична потужність, обмежена тепловою і механічною міцністю гучномовця та виник-ненням нелінійних спотворень, перевищуючих задану величину.
Частотна характеристика звукового тиску – залежність звукового тиску, який розвивається гучномовцем у точці вільного поля на певній віддалі від його робочого центру, від частоти при постійній напрузі на затискачах гучномовця.
Нерівномірність частотної характеристики та ефективно відтворюваний діапазон частот визначаються по частотній характеристиці, знятій на робочій осі. Як правило, робочий центр гучномовця співпадає з геометричним центром симетрії вихідного отвору випромінювача, а робоча вісь - з його геометричною віссю.
Середній звуковий тиск рсер – середньоквадратичне значення звукового тиску, який розвивається гучномовцем у певному діапазоні частот в заданій точці вільного поля. Усередненню підлягають значення звукового тиску, виміряні на частотах, розподілених у діапазоні рівномірно в логарифмічному масштабі.
Середній стандартний звуковий тиск рст – середній звуковий тиск, який розвивається в номінальному діапазоні частот у точці робочої осі на віддалі 1м від робочого центру при підведенні до гучномовця напруги, що відповідає підводимій електричній потужності 0,1 Вт.
Номінальний звуковий тиск рном – відрізняється від середнього стандартного тим, що визначається при підведенні номінальної потужності.
Характеристична чутливість EMBED Equation.3 – відношення середнього звукового тиску рсер, який розвивається гучномовцем у номінальному діапазоні частот в точці робочої осі на віддалі 1м від робочого центру, до кореня квадратного з підводимої потужності РЕ :
EMBED Equation.3 .
Осьова чутливість – відношення звукового тиску р1, який розвивається у точці робочої осі на віддалі 1 м від робочого центру гучномовця у вільному полі, до підводимої напруги : EMBED Equation.3 .
Номінальний електричний опір – мінімальний модуль повного елект-ричного опору гучномовця в діапазоні частот вище частоти основного резонансу його механічної коливальної системи.
Характеристика направленості – залежність відношення звукового тиску рΘ, створюваного гучномовцем у деякій точці вільного поля, до звукового тиску в точці робочої осі, віддаленій на ту ж відстань від робочого центру, від кута θ між робочою віссю та напрямом на вказану точку: EMBED Equation.3 при EMBED Equation.3 . Характеристику направленості, зняту в площині, називають діаграмою направленості й зображають у полярних координатах. Якщо випромінювач має осьову симетрію, то достатньо зняти діаграму направленості лише для однієї площини. В більшості ж випадків потрібні діаграми направленості для двох взаємно перпендикулярних площин, проведених через робочу вісь гучномовця.
Коефіцієнт осьової концентрації – відношення квадратів величин звукового тиску, виміряних в умовах вільного поля на певній віддалі від робочого центру гучномовця: на робочій осі EMBED Equation.3 та усередненого по всіх радіальних напрямках EMBED Equation.3 , які виходять з робочого центру. Коефіцієнт осьової концентрації EMBED Equation.3 можна виразити через відношення акустичних потужностей ненаправленого та направленого випромінювачів (відповідно EMBED Equation.3 та EMBED Equation.3 ), за умови рівності їх осьових звукових тисків :
EMBED Equation.3 при р EMBED Equation.3 = р EMBED Equation.3 . Звідси випливає, що
EMBED Equation.3 ,
де EMBED Equation.3 - віддаль від робочого центру гучномовця; EMBED Equation.3 - питомий акустичний опір.
Коефіцієнт осьової концентрації можна також представити у вигляді відношення квадратів значень осьових звукових тисків, які розвиваються направленим та ненаправленим гучномовцями за умови рівності випро-мінюваних ними акустичних потужностей :
EMBED Equation.3 при EMBED Equation.3 .
Коефіцієнт нелінійних спотворень вимірюють для ряду заданих частот при підведенні до гучномовця синусоїдальної напруги, яка відповідає номі-нальній потужності.
Коефіцієнт корисної дії – це відношення випромінюваної гучномовцем акустичної потужності до підведеної електричної потужності :
.
Системна осьова чутливість гучномовця може бути представлена в наступному вигляді :
EMBED Equation.3 .
Тут EMBED Equation.3 - електрична характеристика; EMBED Equation.3 - модуль коефіцієнта електромеханічного зв’язку; EMBED Equation.3 - акустична чутливість; EMBED Equation.3 - модуль вхідного електричного опору гучномовця; Zм - модуль повного механічного опору рухомої системи; р1 - звуковий тиск, який розвивається у точці робочої осі на відалі 1м від робочого центру гучномовця у вільному полі; EMBED Equation.3 - підведена до гучномовця напруга.
Дифузорні динамічні гучномовці
Принцип роботи динамічних гучномовців взаємний з принципом роботи динамічних мікрофонів (рис. 1). Він полягає в тому, що звукова котушка 1 з намотаним на неї проводом, яка знаходиться в радіальному магнітному полі, при пропусканні через неї змінного струму і зазнає дії сили EMBED Equation.3 , де B –індукція в зазорі; EMBED Equation.3 – довжина проводу. Ця сила приводить у рух дифузор 2, жорстко скріплений з котушкою 1 і підвішений до корпуса 4 по зовнішньому краю за допомогою підвісу 3, а по внутрішньому - центрований шайбою 5. Внаслідок цього дифузор в області низьких та середніх частот представляє собою поршневий випромінювач з одним ступенем свободи коливань (лише в осьовому напрямку). Магнітне коло утворюється кільцевим постійним магнітом 7 та магнітопроводом з двох фланців 6 і 8, кільцевого повітряного зазору 10 та керна 9. Звукова котушка 1 утримується за допомогою шайби 5 в коаксіальному відносно зазору 10 положенні і може вільно коливатися в ньому.
Механічна рухома система, що складається з дифузора, звукової котушки та кріплень, може розглядатися на низьких і середніх частотах як проста коливальна система, утворена двома масами (масою рухомої системи mрс і співколивною масою m EMBED Equation.3 ), трьома гнучкостями (гнучкістю підвісу с1, гнучкістю центруючої шайби с2 і гнучкістю повітря в ящику ся при наявності закритого оформлення) та трьома активними опорами (опором тертя котушки об повітря в зазорі EMBED Equation.3 , опором втрат у дифузорі, центруючій шайбі та підвісі EMBED Equation.3 і опором випромінювання rВ). Механічний опір такої коливальної системи має вигляд :
EMBED Equation.3 .
EMBED Visio.Drawing.11
Рис. 1. Варіант конструкції дифузорного гучномовця: 1 – звукова
котушка; 2 – дифузор; 3 – підвіс; 4 – корпус; 5–центруюча
шайба; 6 і 8 – фланці; 7 – кільцевий магніт; 9 – керн;
10 – повітряний зазор; 11 – отвори для тилового випроміню-
вання; 12 – захисний ковпачок
Верхньою границею поршневого діапазону являється частота
EMBED Equation.3 ,
де а - радіус головки гучномовця. На більш високих частотах дифузор коливається як мембрана, тобто із згином його поверхні. Хвилі згину рухаються від згину до периферії та назад, утворюючи стоячі хвилі вздовж радіуса дифузора. Для великих діаметрів дифузора (близько 25 см) ці хвилі починають проявлятися на частотах понад 1500 Гц, а для дифузорів менших розмірів – відповідно на більш високих частотах.
Отже, дану механічну рухому систему слід розглядати для низьких та середніх частот як просту коливальну систему із зосередженими параметрами, а для високих частот – як систему з розподіленими параметрами.
Вхідний електричний опір гучномовця визначається сумою власного опору котушки та вносимого опору EMBED Equation.3 , тобто EMBED Equation.3 . Власний опір динамічного гучномовця складається з активного опору EMBED Equation.3 котушки та реактивного компонента, обумовленого її індуктивністю EMBED Equation.3 . Вносимий опір визначається повним механічним опором рухомої системи гучномовця EMBED Equation.3 та коефіцієнтом електромеханічного зв’язку EMBED Equation.3 , тобто
EMBED Equation.3
Вносимий опір можна представити у вигляді електричного еквівалента. З цією метою запишемо вираз для вносимої провідності :
EMBED Equation.3
Введемо позначення : EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 . Тоді
EMBED Equation.3 .
Це означає, що елементи EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 та EMBED Equation.3 повинні бути включені паралельно (рис. 2). В еквівалентній схемі інерційний опір має ємнісний еквівалент, а пружний опір – індуктивний еквівалент. Еквівалентний контур має резонанс на частоті EMBED Equation.3 , яка співпадає з частотою механічного резонансу рухомої системи гучномовця EMBED Equation.3 . На цій частоті модуль вхідного електричного опору гучномовця досягає свого максимального значення EMBED Equation.3 .
На частотах, нижчих від частоти механічного резонансу EMBED Equation.3 , вхідний опір гучномовця спадає до активного опору котушки EMBED Equation.3 , а на вищих частотах (в діапазоні 150-400 Гц) досягає мінімуму, в основному обумовленого послідовним резонансом. Частоту послідовного резонансу EMBED Equation.3 називають частотою електромеханічного резонансу. На частотах, вищих від EMBED Equation.3 , вхідний опір гучномовця визначається лише власним опором котушки і тому зростає із збільшенням частоти завдяки індуктивному компоненту власного опору.
Рис. 2. Еквівалентна електрична схема вхідного опору гучномовця
Визначимо тепер осьову чутливість електродинамічного гучномовця. Відомо, що при розгляді гучномовця як системи його осьова чутливість може бути представлена у вигляді добутку характеристик складових підсистем.
Електрична характеристика електродинамічного гучномовця визначається виразом :
,
оскільки коефіцієнт електромеханічного зв’язку EMBED Equation.3 .
Механічна чутливість цього гучномовця
EMBED Equation.3 .
Акустична чутливість може бути знайдена на основі прирівнювання виразів для акустичної потужності. З одного боку, акустичну потужність можна записати як EMBED Equation.3 , оскільки за визначенням р EMBED Equation.3 = р1 при r = 1м. З другого боку, випромінювана активна потужність EMBED Equation.3 . Для пасивного середовища EMBED Equation.3 , тобто EMBED Equation.3 . Звідси можна знайти вираз для акустичної чутливості гучномовця :
EMBED Equation.3 .
На основі отриманих співвідношень запишемо формулу для системної осьової чутливості електродинамічного гучномовця :
EMBED Equation.3 .
Для середніх частот і низьких, але вищих від частоти механічного резонансу, можна вважати EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 .
Тому осьова чутливість в області середніх частот рівна
EMBED Equation.3 .
Звідси випливає, що осьова чутливість прямо пропорційна індукції в зазорі та акустичній чутливості й обернено пропорційна масі рухомої системи гучномовця.
На частоті механічного резонансу EMBED Equation.3 отримуємо EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 , а за умови узгодженості опорів механічного та електричного кіл - EMBED Equation.3 . Враховуючи також той факт, що на низьких частотах EMBED Equation.3 , для осьової чутливості гучномовця на частоті EMBED Equation.3 можна записати вираз :
EMBED Equation.3 .
Оскільки EMBED Equation.3 , то відношення чутливості на середніх частотах до чутливості на частоті механічного резонансу EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 - добротність всієї механічної системи. При належному підборі добротності механічної системи (D = 1-2) можна отримати чутливість на резонансній частоті EMBED Equation.3 , близьку до чутливості на середніх частотах. За такої умови частотна характеристика гучномовця буде мати незначну нерівномірність в діапазоні від частоти механічного резонансу до верхньої границі поршневого діапазону. Нижче частоти механічного резонансу чутливість різко спадає. Оскільки чутливість зв’язана з масою рухомої системи гучномовця обернено пропорціональною залежністю ,то знижувати частоту механічного резонансу можна лише шляхом збільшення гнучкості системи. Частоту wм знижують доти, поки рухома система почне втрачати стійкість і виникне небезпека появи перекосів звукової котушки та зачіплянь її за стінки зазору. Практично для широкосмугових гучномовців не вдається знизити частоту механічного резонансу більш ніж до 60-70 Гц, тобто нижня границя передаваного діапазону частот не отримується нижчою 50-60 Гц, а в більшості випадків вона не нижча 70-80 Гц.
Верхню границю поршневого діапазону, вище якої дифузор починає коливатися як мембрана, можна підвищити шляхом надання йому більшої жорсткості. Для цього потовщують стінки дифузора і одночасно з цим зменшують густину матеріалу, з якого виготовлений дифузор.
У діапазоні частот, в якому дифузор коливається як мембрана, частотна характеристика осьової чутливості гучномовця отримується дуже порізаною. Але завдяки тому, що слух людини має згладжуючі властивості, не всі піки та провали стають помітними на слух. Частотна характеристика осьової чутливості (без урахування різких піків та провалів) близька до рівномірної аж до частот 6000-7000 Гц. Вище 7000-8000 Гц частотна характеристика круто спадає.
Підвищити верхню границю частотного діапазону гучномовця до 10000 – 12000 Гц можна за допомогою додаткового конуса, який встановлюється всередину дифузора. В цьому випадку на високих частотах основний дифузор перестає працювати через відносно гнучке з’єднання його із звуковою котушкою, а в роботу включається малий дифузор, достатньо жорсткий і легкий.
В області низьких частот чутливість гучномовця підвищують за допомогою фазоінвертора.
Характеристики направленості одинарних дифузорних гучномовців повністю визначаються характеристиками поршньових випромінювачів нульового або першого порядку залежно від розмірів екрану чи ящика, в якому розміщується гучномовець. Коефіцієнт осьової концентрації великих дифу-зорних гучномовців не перевищує чотирьох на частотах від 1000 до 2000 Гц, а для малих гучномовців (з діаметром дифузора не більше 10 см) такий коефіцієнт концентрації отримується лише на частотах біля 4000 Гц.
Дифузорні гучномовці внаслідок неузгодженості опору механічної системи з акустичним опором повітря мають малий коефіцієнт корисної дії, що не перевищує 0,3-0,7%.
Нелінійні спотворення в дифузорних гучномовцях створюються в основ-ному через нелінійності механічної системи в центруючій шайбі та підвісі дифузора, а також через нерівномірність розподілу індукції в зазорі. Перша причина обумовлена тим, що при великих амплітудах коливань дифузора величини згину центруючої шайби та підвісу нелінійно зв’язані з діючими на них силами. Друга причина також проявляється при великих амплітудах коливань дифузора, оскільки при цьому звукова котушка виходить за межі рівномірного магнітного поля у зазорі. Оскільки амплітуда коливань зростає при зменшенні частоти аж до резонансної, то відповідно збільшується і коефіцієнт нелінійних спотворень, досягаючи на частотах біля 100 Гц десяти і більше процентів.
В гучномовцях з дифузорами, які мають прямолінійну форму твірної, тобто являються конічними, виникають також субгармонічні спотворення. Ці спотворення проявляються у вигляді паразитних коливань з частотою, рівною половині частоти основних коливань дифузора. Для зменшення можливості виникнення субгармонік застосовують дифузори з твірною криволінійної форми.
Внутрішній опір електродинамічних гучномовців звичайно становить декілька Ом. Для його узгодження з опором трансляційної лінії або приймача застосовують трансформатори.
До дифузорних гучномовців електродинамічного типу можна також від-нести стрічкові гучномовці. Вони належать до високочастотних гучномовців, розрахованих на діапазон частот від 2 до 30 кГц. За конструкцією стрічкові гучномовці подібні до стрічкових мікрофонів, однак мають більшу поверхню випромінювача (стрічки).
Рупорні випромінювачі
Основним недоліком гучномовців безпосереднього випромінювання являється їх дуже низький коефіцієнт корисної дії. Причиною цього є не-узгодженість опорів механічної системи та навколишнього середовища. Для підвищення опору випромінювання слід було б збільшувати розміри випро-мінювача, однак це призводить до зростання його маси і не дає виграшу у коефіцієнті корисної дії. Оскільки дифузор виконує дві функції – функцію перетворення механічних коливань в акустичні та функцію випромінювання акустичних коливань в навколишнє середовище, то розв’язати таке протиріччя можна лише шляхом розділення цих функцій. Розділення вказаних функцій здійснюється в рупорних гучномовцях.
Рупором називають трубу із змінним перетином. Вхідний отвір рупора (горло) менший, ніж вихідний (устя). Вихідний отвір являється випро-мінювачем, а вхідний служить навантаженням для механічної системи. Таким чином, випромінювач може бути зроблений як завгодно великим, а механічна система – невеликою і тому легкою.
Рупори застосовують з різними законами зміни їх поперечного перетину. Найбільш поширеними є експоненціальні рупори (рис. 3), для яких поперечний переріз змінюється за законом :
EMBED Equation.3 ,
де EMBED Equation.3 - показник розширення рупора; EMBED Equation.3 - поперечний переріз горла; х – віддаль від входу рупора.
EMBED Visio.Drawing.4
Рис.3. Ескіз експоненціального рупора та залежності його вхідного
опору від частоти: 1 – активна складова для рупора безмежної
довжини; 2 – реактивна складова для нього ж; 3 – активна скла-
дова для рупора скінченної довжини
Спочатку розглянемо безмежний рупор, тобто рупор, у якому нема від-бивання хвиль від вихідного отвору. Для такого рупора вхідний опір визна-чається співвідношенням
EMBED Equation.3 ,
де EMBED Equation.3 та EMBED Equation.3 - відповідно активна та реактивна складові вхідного опору; EMBED Equation.3 - так звана критична частота рупора.
Активна складова вхідного опору рупора для частот, нижчих від критичної, рівна нулю, а присутня лише реактивна складова. Це свідчить про те, що рупор на частотах не випромінює енергію в навколишній простір, а лише запасає її і повертає після закінчення вимушених коливань у вигляді енергії своїх вільних коливань в механічну систему. Реактивна складова має інерційний характер, тобто представляє собою опір співколивної маси, вносимої в механічну систему.
Вище критичної частоти активна складова вхідного опору рупора швидко наростає до величини, рівної опору плоскої хвилі, і далі залишається постійною.
У рупорах скінченної довжини на низьких частотах через неузгодженість опорів рупорів з опором навколишнього середовища виникає відбивання звукових хвиль від устя рупора. В результаті у рупорі виникають стоячі хвилі, а частотна характеристика вхідного опору рупора стає хвилеподібною (крива 3). В області ж середніх і високих частот довжини випромінюваних хвиль виявляються меншими від розмірів випромінюючого отвору рупора, а тому фронт хвилі поблизу устя стає плоским і залишається таким після виходу з рупора. Внаслідок цього не відбувається відбивання хвиль від кінця рупора.
Діаметр вихідного отвору рупора (або діаметр рівновеликого круга) повинен задовольняти умову EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 - гранична нижня частота передаваного діапазону.
Якщо довжини випромінюваних хвиль менші від розмірів устя, то для рупорів виявляються придатними характеристики направленості поршневого випромінювача в безмежному екрані при тих же співвідношеннях EMBED Equation.3 . Лише на низьких частотах випромінювання рупора буде менш направленим, оскільки через відсутність екрана розходження хвиль відбувається в тілесному куті EMBED Equation.3 замість EMBED Equation.3 .
Довжина експоненціального рупора визначається за формулою
EMBED Equation.3 .
Якщо необхідно мати гостру направленість та низьку нижню границю передаваного частотного діапазону, слід збільшувати вихідний отвір рупора і зменшувати критичну частоту, тобто використовувати рупор більшої довжини. В такому випадку рупор часто згортають або складають.
Коефіцієнт осьової концентрації рупорів на середніх частотах доходить до 30-50, що відповідає створенню ними великого осьового тиску. Крім того, завдяки узгодженості опорів рупора та навколишнього середовища, з одного боку, і рупора та механічної коливальної системи, з другого, випромінювана потужність при використанні рупора є більшою, ніж без нього. Найменша залежність коефіцієнта осьової концентрації від частоти отримується для експоненціального рупора з круглим устям за умови EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 - діаметр устя. В цьому випадку EMBED Equation.3 у широкому діапазоні частот.
Великого поширення набули рупори з прямокутним вихідним отвором. Такі рупори мають різну направленість у взаємно перпендикулярних площинах, що проходять через вісь рупора та поздовжну або поперечну осі вихідного отвору. Направленість у кожній із цих площин (поздовжній або поперечній) визначається відношеннями розмірів вихідного отвору до довжини хвилі .
У тих випадках, коли необхідно мати однакове випромінювання в межах тілесного кута EMBED Equation.3 , не залежне від частоти, застосовують секціоновані рупори.
Рупорні електродинамічні гучномовці
Рупорні гучномовці мають два конструктивних варіанти: вузькогорлий та широкогорлий. Площа вхідного отвору рупора у вузькогорлих гучномовцях в декілька разів менша від площі поршневої діафрагми, а в широкогорлих гучномовцях ці площі однакові або близькі одна до одної.
У вузькогорлому варіанті рупор з’єднується з головкою гучномовця за допомогою передрупорної камери (рис. 4). Передрупорна камера 1 виконує функцію акустичного трансформатора з коефіцієнтом трансформації EMBED Equation.3 і забезпечує узгодження механічного опору рухомої системи головки з вхідним опором рупора. Внаслідок цього вхідний опір рупора, приведений до діафрагми 2, буде збільшений в EMBED Equation.3 разів і становитиме EMBED Equation.3 . Збільшення навантаження на діафрагму підвищує опір випромінювання гучномовця. Завдяки цьому значно зростають звуковий тиск і коефіцієнт корисної дії.
В широкогорлому варіанті горло рупора безпосередньо примикає до дифузора головки. Такі гучномовці застосовуються без передрупорної камери, оскільки вхідний опір рупора достатньо великий і мало відрізняється від механічного опору рухомої системи, а отже потреба в узгоджуючому трансформаторі відпадає. За рахунок того, що устя має діаметр, більший від діаметра дифузора головки, направленість випромінювання отримується більш загостреною, ніж у самої головки. При цьому звукова енергія концентрується на осі рупора і звуковий тиск поблизу осі зростає. Гучномовці такого типу мають короткий рупор навіть при невеликому показникові розширення (низькій критичній частоті), оскільки вхідний отвір рупора достатньо великий.
EMBED Visio.Drawing.4
Рис. 4. Варіант конструкції з’єднання гучномовця з рупором:
1 – передрупорна камера; 2 – діафрагма; 3 – вхідний
отвір рупора
Коефіцієнт осьової концентрації рупорних гучномовців знаходиться в межах 25-50 і може бути підвищений до 100 щляхом збільшення розмірів устя.
Рупорні гучномовці мають значно більший коефіцієнт корисної дії, ніж дифузорні. Цей коефіцієнт можна підвищити, збільшуючи індукцію в зазорі, до 5-7%. При зменшенні маси рухомої системи вдається отримати коефіцієнт корисної дії до 20%.
Коефіцієнт нелінійних спотворень у вузькогорлих рупорних гучномовцях в загальній складності отримується не меншим, ніж у дифузорних, оскільки спотворення зменшуються в механічній системі та збільшуються в рупорі. Широкогорлі рупори вносять у передачу значно менші нелінійні спотворення завдяки тому, що коефіцієнт розходження хвилі у них незначний.
Визначимо умови отримання рівномірної частотної характеристики осьової чутливості рупорних електродинамічних гучномовців.
Вхідний опір експоненціального рупора практично не залежить від частоти для частот вище подвоєної критичної, а отже й електрична характеристика рупорного гучномовця EMBED Equation.3 слабко залежить від частоти (як і в дифузорного гучномовця). Коефіцієнт електромеханічного зв’язку EMBED Equation.3 - постійна величина.
Оскільки для великих випромінюючих поверхонь питомий коефіцієнт активного опору випромінювання EMBED Equation.3 , то акустична чутливість EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 та EMBED Equation.3 - відповідно швидкість коливань у горлі рупора та площа перетину горла. Отже, акустична чутливість рупорного гучномовця залежить від частоти лише через коефіцієнт осьової концентрації EMBED Equation.3 , який у свою чергу змінюється в невеликих межах. Тому для рівномірності частотної характеристики осьової чутливості необхідно, щоб і механічна чутливість EMBED Equation.3 також не залежала від частоти.
Механічна коливальна система, якою є діафрагма, представляє собою просту коливальну систему з масою EMBED Equation.3 , гнучкістю підвісу EMBED Equation.3 та активним опором втрат EMBED Equation.3 . Гнучкість об’єму повітря в передрупорній камері EMBED Equation.3 з’єднана з гнучкістю підвісу EMBED Equation.3 послідовно, тому що об’єм повітря в передрупорній камері підвищує пружність механічної системи. Через стискуваність повітря передрупорна камера шунтує вхідний опір рупора, в зв’язку з чим на еквівалентній схемі вони з’єднані паралельно через акустичний трансформатор. Вхідний опір рупора для частот вище подвоєної критичної можна вважати активним.
Аналіз еквівалентної схеми (рис. 5) показує, що коефіцієнт передачі від входу механічної системи до рупора майже не залежить від частоти в діапазоні від частоти механічного резонансу рухомої системи EMBED Equation.3 до частоти послідовного резонансу EMBED Equation.3 між масою m та гнучкістю EMBED Equation.3 .
EMBED Visio.Drawing.4
Рис.5. Еквівалентна схема акустикомеханічної системи рупорного
гучномовця
Для вузькогорлих гучномовців вдається отримати частотну характеристику осьової чутливості з нерівномірністю у межах 12-15 Дб в діапазоні 200–4000 Гц. Гучномовці з широкогорлим рупором передають більш широкий частотний діапазон: він виявляється не вужчим від 100-6000 Гц при тій же нерівномірності (~ 15 Дб).
Електростатичні гучномовці
Розглянемо спочатку схематичну конструкцію конденсаторного гучно-мовця (рис. 6). На ребристому півциліндрі 1 за допомогою гвинта 3 натягнута тонка металева фольга 2, облицьована з внутрішнього боку діелектриком, або полімерна плівка, покрита ззовні металом. Поверхні півциліндра та фольга служать електродами конденсатора. Між електродами прикладено поляризуючу напругу EMBED Equation.3 . Якщо на електроди подати ще й змінну напругу EMBED Equation.3 , то між ними діятиме сила притягання EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 - площа електродів; d - віддаль між електродами.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис. 6. Варіант конструкції конденсаторного гучномовця:
1 – масивний електрод; 2 – гнучкий електрод з ізо-
ляцією; 3 – натягуючий гвинт
При EMBED Equation.3 можна знехтувати квадратичною складовою, і тоді змінна складова сили притягання EMBED Equation.3 . Враховуючи, що ємність утвореного конденсатора EMBED Equation.3 , можна записати : EMBED Equation.3 . Отже, змінна сила, що діє на гнучкий електрод, визначається градієнтом поляризуючої напруги EMBED Equation.3 , ємністю конденсатора С та змінною напругою EMBED Equation.3 .
Вхідний електричний опір конденсаторного гучномовця EMBED Equation.3 , а тому його електрична характеристика прямопропорційна частоті : EMBED Equation.3 . Коефіцієнт електромеханічного зв’язку конденсаторного гучномовця визначається згідно з теоремою взаємності тим же виразом, що й у випадку конденсаторного мікрофона, тобто EMBED Equation.3 .
Таким чином, електрична характеристика і коефіцієнт електромеханічного зв’язку конденсаторного гучномовця взаємно компенсують себе по частоті.
Оскільки конденсаторний гучномовець використовують, як правило, в якості високочастотного компонента акустичних систем, то він має опір випромінювання, близький до опору плоскої хвилі. При цьому і акустична чутливість буде повільно зростати із збільшенням частоти лише за рахунок підвищення коефіцієнта осьової концентрації EMBED Equation.3 . Для опримання частотнонезалежної осьової чутливості такого гучномовця необхідно, щоб його механічна чутливість EMBED Equation.3 повільно зменшувалася, а модуль механічного опору EMBED Equation.3 повільно збільшувався по мірі росту частоти. Однак якщо вибрати частоту резонансу механічної системи на нижній границі передаваного частотного діапазону, то вище неї механічний опір буде зростати прямо пропорційно частоті. Для часткової компенсації цього росту послідовно з гучномовцем вмикають баластний електричний опір EMBED Equation.3 (рис. 7), який зменшує спад напруги на гучномовці при збільшенні частоти і таким чином забезпечує частотну незалежність осьової чутливості.
EMBED Visio.Drawing.4
Рис. 7. Схема вмикання конденсаторного гучномовця:
1 - масивний електрод; 2 - мембрана
Оскільки градієнт поляризуючої напруги EMBED Equation.3 обмежений електричною міцністю плівки, то чутливість конденсаторного гучномовця можна підвищувати в основному за рахунок збільшення розмірів випромінювача.
Електретні гучномовці відрізняються від конденсаторних лише застосуванням у них попередньо наелектризованої електричної плівки. У всьому іншому (конструкції, поведінці та застосуванні) вони подібні до конденсаторних гучномовців.
Робота п’єзогучномовців базується на явищі оберненого п’єзоефекту. Якщо до пластинки з п’єзокристалу прикласти електричну напругу, то вона буде деформуватися. При змінній напрузі деформація пластинки матиме також змінний характер. Якщо зробити відповідний зріз, то можна примусити пластинку згинатися. З’єднавши край такої пластинки з дифузором, отримаємо гучномовець прямого випромінювання. Коефіцієнт електромеханічного зв’язку в даному випадку визначається за формулою EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 - коефіцієнт п’єзоефекту; EMBED Equation.3 та EMBED Equation.3 - відповідно довжина і товщина пластинки. У всьому іншому п’єзогучномовець подібний до конденсаторного гучномовця.
Недоліками п’єзогучномовців, суттєво обмежуючими їх впровадження у системи мовлення та зв’язку, являються мала кліматична стійкість сегнетової солі, низька чутливість п’єзокераміки, велика нерівномірність частотної характеристики, високий вхідний опір та значні нелінійні спотворення.
Слухавки
Слухавками називається електроакустичний апарат, призначений для перетворення електричних коливань у коливання звукового тиску безпо-середньо в порожнині зовнішнього вуха.
Слухавки характеризуються рядом технічних параметрів.
Чутливість слухавок - це відношення ефективного значення звукового тиску, який розвивається слухавками у камері штучного вуха, до напруги, прикладеної до слухавок. Камера штучного вуха представляє собою об’єм, що відповідає середньому об’єму слухового каналу та вушної раковини (6 см³) або лише звукового каналу (2 см³) залежно від конструктивного варіанту використовуваних слухавок.
Віддача слухавок - це звуковий тиск, який розвивається слухавками у камері штучного вуха при підведенні до них стандартної потужності в 1 мВт через опір, рівний вхідному опору слухавок на частоті 1000 Гц.
Слухавки характеризуються також вхідним опором, нелінійними спотвореннями і частотною залежністю віддачі або чутливості. Нерівномірність частотної характеристики звичайно прийнято визначати по частотній залежності віддачі слухавок.
За принципом дії слухавки поділяються на електромагнітні, електро-динамічні та електростатичні.
Найбільш поширеними являються електромагнітні слухавки. Вони застосовуються в радіо- та провідному телефонному зв'язку в системах інди-відуального озвучування. Електромагнітні слухавки випускаються у двох конструктивних варіантах: зовнішні та втулкові. Перші прикладають до зовнішньої раковини, а другі вставляють у неї або в звуковий канал.
Втулкові слухавки поділяються за типом магнітного кола на циліндричні та центральні. В циліндричних слухавках (рис. 8) застосовується магніт кільцевого типу 1. Магнітний потік від нього проходить через всю діафрагму 3 і зазор 5 у керн 2. На керні розміщена одна котушка 6. Діафрагма має накладку 4 на центральній частині для уникнення її насичення. У слухавках з центральним магнітом (рис.9) магнітний потік від магніта 1 проходить через перший полюсний наконечник 2 та зазор 8 у діафрагму 4 і повертається в магніт через другі зазор 8 та полюсний наконечник 2. Дві котушки 3 (по одній на кожному наконечнику) з’єднуються послідовно. Для підвищення ефективності діафрагму роблять поршневою щляхом гофрування її країв.
Для зовнішніх слухавок застосовують спеціальну акустичну корекцію за допомогою прокладки 6 з отворами 7, затягнутими шовком. Ця прокладка ділить об’єм 5 під діафрагмою 4 на дві нерівні частини (меншу між діафрагмою і прокладкою), в результаті чого отримується подвійний резонатор. Резонансна частота діафрагми вибирається близько 2000 Гц. На цю частоту настроюється і коректуючий пристрій, що працює як фільтр-пробка. Завдяки корекції частотна характеристика віддачі слухавок вирівнюється. Додатковий резонанс між отворами 9 в амбушурі та об’ємом камери штучного вуха робить частотну характеристику ще більш рівномірною в діапазоні частот до 3500 Гц. Віддача зовнішніх слухавок становить не менше 6-10 Па, а нерівномірність частотної характеристики віддачі - не більше 4 Дб.
EMBED Visio.Drawing.4
Рис. 8. Варіант конструкції втулкових слухавок з кільцевим
магнітом: 1 - магніт; 2 - керн; 3 - діафрагма; 4 - накладка;
5 - зазор; 6 - котушка
EMBED Visio.Drawing.4
Рис. 9. Варіант конструкції зовнішніх слухавок з центральним
магнітом: 1 - магніт; 2 - полюсні наконечники; 3 - котушки;
4 – діафрагма; 5 – об’єм під діафрагмою; 6 - прокладка;
7 - отвір в прокладці; 8 - зазори; 9 - отвір в амбушюрі
Електродинамічні слухавки по конструкції нічим не відрізняються від динамічних мікрофонів з рухомою котушкою, однак в них менша за розмірами магнітна система. Діапазон передаваних частот становить 100–5000 Гц, середня віддача не менша 10 Па, а нерівномірність частотної характеристики віддачі не більша 4 Дб. Застосовуються ці слухавки для вимірювальних цілей та для слухового контролю програм мовлення. Оскільки електродинамічні слухавки являються оборотніми перетворювачами, то вони можуть служити також мікрофонами.
Будова п’єзоелектричних слухавок аналогічна будові п’єзогучномовців. У теперішній час п’єзослухавки застосовуються дуже рідко.
Список рекомендованої літератури:
Сапожков М.А. ...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора