ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электроакустики, в частности, к конструкции широкополосного электродинамического громкоговорителя (ЭДГ) и может быть использована при создании высококачественных электроакустических преобразователей и электроакустических систем как профессионального, так и бытового назначения.
Подавляющее большинство современных высококачественных акустических систем являются многополосными (как правило, двух- или трехполосными), состоящими из нескольких громкоговорителей, каждый из которых работает в своем ограниченном диапазоне частот. Это обусловлено тем, что пока не удалось создать широкополосный электроакустический преобразователь, обладающий хорошими характеристиками во всем звуковом диапазоне частот. Многополосные громкоговорители и акустические системы, по сравнению с однополосными, могут иметь значительно более широкий диапазон воспроизводимых частот, особенно в области высоких частот (ВЧ). Однако им присущи такие недостатки, как сложность конструкции, необходимость использования сложных разделительных фильтров (кроссоверов), обеспечивающих работу каждого излучателя в требуемой полосе частот при допустимых амплитудных и фазовых искажениях, повышенные пространственно-фазовые искажения вследствие сложности совмещения в пространстве фазовых центров излучателей, невысокая надежность (особенно ВЧ звена) и сравнительно высокая стоимость.
Несмотря на постоянно возрастающий интерес разработчиков к нетрадиционным электроакустическим преобразователям (изодинамическим, ленточным, излучателям Хейла, электростатическим, электретным, пьезокерамическим, плазменным и т.д.), наиболее распространенными и обладающими наилучшим сочетанием параметров по-прежнему остаются ЭДГ.
Анализ современного уровня техники в области электроакустики показывает, что, в настоящее время известно множество конструктивных и технологических решений, позволяющих значительно расширить диапазон частот, воспроизводимых ЭДГ. Основными из них являются использование диффузоров со сложной образующей (гипербола, трактриса и т.п.) и переменной толщиной, использование различных материалов для изготовления диффузоров (целлюлоза и ее композиции, бериллий, титан, алюминий и их композиты, различные пленочные синтетические материалы и т.д.) и пропиток, изменяющих механические свойства диффузора, использование сотовых конструкций, расширяющих диапазон поршневой работы диффузора и ряд других.
Наиболее распространенными из широкополосных являются коаксиальные ЭДГ и ЭДГ с двуконусной диафрагмой. Коаксиальные широкополосные ЭДГ [Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989., с.255] по сути, являются многополосными, так как содержат два (реже три) независимых ЭДГ, объединенных конструктивно, со всеми вытекающими недостатками, указанными ранее.
Широкополосный ЭДГ с двуконусной диафрагмой известной конструкции (фиг.1), состоит из основного (низко-среднечастотного) конического диффузора 1 и дополнительного жесткого конуса 2, возбуждаемых жестко связанной с ними звуковой катушкой 3 с обмоткой, что позволяет значительно расширить диапазон воспроизводимых частот в сторону ВЧ [Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989., с.262]. Звуковая катушка 3 имеет форму цилиндра и выполнена из изоляционного материала (бумага, стеклотекстолит, полиимид) или из металлической фольги с разрезом и размещается в зазоре магнитной системы, состоящей из кольцевого магнита 4, верхнего фланца 5, нижнего фланца 6 и керна 7. Центровка звуковой катушки 3 в зазоре магнитной системы обеспечивается центрирующей шайбой 8 и подвесом 9. Диффузородержатель 10 служит для объединения элементов ЭДГ и обеспечивает возможность закрепления его в корпусе. Пылезащитный колпачок 11 исключает попадание посторонних частиц в зазор магнитной системы. Такая конструкция позволяет избавиться от сложных разделительных фильтров, обеспечивает совмещение в пространстве фазовых центров конического диффузора 1 и ВЧ излучателя - дополнительного жесткого конуса 2, при более высокой надежности и сравнительно низкой стоимости.
Недостатками такого ЭДГ являются недостаточно широкий диапазон воспроизводимых частот (в сторону ВЧ), повышенные нелинейные и интермодуляционные искажения, связанные с эффектом Доплера, что обусловлено тем, что оба конуса возбуждаются одной мощной звуковой катушкой 3, имеющей значительные массу и индуктивность. Существенный вклад в общий уровень искажений вносят искажения, обусловленные воздействием переменного магнитного потока в зазоре на ток, протекающий в обмотке звуковой катушки 3, а также индукционные (вихревые) токи, возникающие в поверхностных слоях керна 7 и верхнего фланца 5. Особенно сильно влияние индукционных токов сказывается на средних и высоких частотах, поскольку сила этих токов пропорциональна скорости изменения переменного магнитного потока в зазоре ЭДГ. Для снижения уровня этих искажений в конструкции широкополосных ЭДГ используют короткозамкнутый виток в виде колпачка или кольца 12 из материала с высокой электропроводностью, жестко закрепленного на керне 7 внутри магнитной системы, а также ряд других конструктивных и технологических приемов [Ротштейн М.С., Брейгина Н.А. Нелинейные искажения головок громкоговорителей, обусловленные взаимодействием переменного потока звуковой катушки с магнитной системой. - Техника средств связи, сер. ТРПА, 1982, вып.2, с.66-73]. Индукционный ток, протекая в короткозамкнутом витке, обладающим значительно меньшим сопротивлением, чем элементы магнитной системы, препятствует изменению магнитного поля в зазоре магнитной системы, что снижает индуктивность и электрическую добротность основной звуковой катушки. А это, в свою очередь, обеспечивает более эффективное торможение подвижной системы после воздействия импульсного сигнала, что проявляется как улучшение переходной характеристики и кумулятивного амплитудного спектра ЭДГ [Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989., с.19].
2
01
Наиболее близким по техническому решению к заявляемой полезной модели является, выбранный в качестве прототипа, электродинамический громкоговоритель [А.С. СССР №43044, класс 21 a, 2, 1934], обеспечивающий расширение (в сторону ВЧ) диапазона частот, воспроизводимых ЭДГ при упрощении конструкции.
2
01
Данное техническое решение обладает рядом существенных недостатков. Расположение подвижной катушки 8 высокочастотного диффузора 5 вне основного магнитного зазора на пути потока рассеяния [ил. к А.С. СССР №43044, класс 21 а, 2, 1934], составляющего незначительную часть основного потока магнитной цепи, заметно снижает величину тока, наведенного в подвижной катушке 8, а, следовательно, отдачу высокочастотного диффузора. Для устранения этого недостатка автор предлагает дополнительные меры - использование механического и (или) электрического резонанса. Но любая резонансная система, как известно, является узкополосной. То есть данные меры способны решить задачу повышения отдачи только в ограниченной области высоких частот (не более 1 октавы). Кроме того, данная конструкция не обеспечивает снижения искажений в области средних и высоких частот, обусловленных воздействием переменного магнитного потока в зазоре на ток, протекающий в обмотке основной (низкочастотной) звуковой катушки 7 и воздействием индукционных (вихревых) токов, возникающих в поверхностных слоях керна 1 и верхнего фланца 2 [Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989., с.142]. Это обстоятельство приводит также к снижению тока, протекающего в основной звуковой катушке 7, особенно на высоких частотах (более 1-3 кГц) вследствие ее значительной индуктивности (от 0,1-0,2 мГн у маломощных до 1-3 мГн у мощных профессиональных ЭДГ), что еще больше снижает отдачу в области средних и высоких частот и существенно ухудшает (затягивает) переходную характеристику и кумулятивный амплитудный спектр ЭДГ.
Целью полезной модели является расширение диапазона воспроизводимых частот.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, снабженном двумя диффузорами - высоко - и низкочастотным, смонтированными на одной общей магнитной цепи, дополнительная катушка высокочастотного диффузора, имеющего форму конуса или купола, расположена непосредственно в магнитном зазоре на пути основного магнитного потока и выполнена в виде короткозамкнутого витка из материала с высокой электропроводностью.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная конструкция ЭДГ отличается расположением дополнительной катушки высокочастотного диффузора непосредственно в магнитном зазоре на пути основного магнитного потока и выполнением ее в виде короткозамкнутого витка из материала с высокой электропроводностью.
Таким образом, полезная модель соответствует критерию «новизна».
Полезная модель является «промышленно применимой», так как она может быть использована при создании широкополосных ЭДГ с низким уровнем искажений, а также высококачественных электроакустических преобразователей и электроакустических систем на их основе как профессионального, так и бытового назначения.
На фиг.1 представлены основные элементы известной конструкции широкополосного ЭДГ с двуконусной диафрагмой в разрезе, на фиг.2 представлены основные элементы конструкции предлагаемого широкополосного ЭДГ с конусным ВЧ диффузором и кольцевым магнитопроводом в разрезе, на фиг.3 представлены основные элементы конструкции предлагаемого широкополосного ЭДГ с купольным ВЧ диффузором и магнитопроводом в форме стакана в разрезе.
Предлагаемая конструкция широкополосного ЭДГ (фиг.2) состоит из основного (низко-среднечастотного) конического диффузора 1 и ВЧ диффузора 2, который может быть выполнен в виде жесткого конуса (фиг.2) или купола (фиг.3). Основной (низко-среднечастотный) конический диффузор 1 приводится в движение звуковой катушкой 3 с обмоткой, перемещающейся в зазоре магнитной системы, состоящей из кольцевого магнита 4, верхнего фланца 5, нижнего фланца 6 и керна 7. Магнитная система может иметь и другую конструкцию, например, в виде стакана (фиг.3). Центровка звуковой катушки 3 в зазоре магнитной системы обеспечивается центрирующей шайбой 8 и подвесом 9. Диффузородержатель 10 служит для объединения элементов ЭДГ и обеспечивает возможность закрепления его в корпусе. Пылезащитный колпачок 11 исключает попадание посторонних частиц в зазор магнитной системы. В ряде случаев, например для ЭДГ бытового применения, пылезащитный колпачок 11 может отсутствовать. ВЧ диффузор 2 приводится в движение жестко связанной с ним дополнительной катушкой 12, расположенной непосредственно в магнитном зазоре на пути основного магнитного потока, и выполненной в виде короткозамкнутого витка из материала с высокой проводимостью. Центровка дополнительной катушки 12 в зазоре магнитной системы обеспечивается уплотнительным кольцом 13 из эластичного материала и центровочной шайбой 14 с прижимным винтом 75.
Широкополосный ЭДГ (фиг.2, 3) работает следующим образом.
Переменная составляющая магнитного поля, создаваемая звуковой катушкой 3, индуцирует в короткозамкнутом витке дополнительной катушки 12 напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного поля (частоте) и коэффициенту взаимной индукции между звуковой катушкой 3 и дополнительной катушкой 12. Это напряжение обусловливает протекание в короткозамкнутом витке дополнительной катушки 12 тока, величина которого обратно пропорциональна сопротивлению короткозамкнутого витка, а направление совпадает с направлением тока, протекающего в витках основной звуковой катушки 3. При этом на дополнительную катушку 12, жестко связанную с ВЧ диффузором 2, действует сила F=В·L·I, где В - индукция в магнитном зазоре, L - длина окружности короткозамкнутого витка, I - величина тока, протекающего в короткозамкнутом витке. ВЧ диффузор 2 колеблется в соответствии с прикладываемой силой, обусловленной током, протекающим в звуковой катушке 3, и излучает акустическую волну.
Положительный эффект, выражающийся в расширении диапазона частот, воспроизводимых ЭДГ, получается за счет того, что дополнительная катушка высокочастотного диффузора, имеющего форму конуса или купола, расположена непосредственно в магнитном зазоре на пути основного магнитного потока, выполнена в виде короткозамкнутого витка из материала с высокой электропроводностью и перемещается за счет тока, наведенного в ней переменным магнитным полем, создаваемым основной звуковой катушкой. Диапазон рабочих частот ВЧ диффузора 2 может при этом составлять от 1-2 кГц до 20-50 кГц и более, поскольку суммарная масса ВЧ диффузора 2 и дополнительной катушки 12 составляет единицы грамм, что значительно меньше массы основного конического диффузора 1 и звуковой катушки 3 (десятки гр.).
Техническими результатами, обеспечиваемыми данной полезной моделью, являются также снижение уровня искажений, улучшение переходной характеристики, снижению индуктивности звуковой катушки и повышение надежности ЭДГ.
Это обусловлено тем, что, во-первых, на частотах ниже частоты механического резонанса, колебания ВЧ диффузора и дополнительной катушки 12 практически отсутствуют, что полностью устраняет искажения, обусловленные эффектом Доплера, присущие известной конструкции (фиг.1). Во-вторых, на низких и средних частотах дополнительная катушка 12 неподвижна и работает как короткозамкнутый виток в ЭДГ известной конструкции (фиг.1).
Одним из существенных недостатков коаксиальных ЭДГ и других многополосных акустических систем является невысокие надежность и перегрузочная способность, обусловленные наличием маломощного ВЧ громкоговорителя. В отличие от известных решений, предлагаемая конструкция широкополосного ЭДГ не содержит маломощного ВЧ громкоговорителя и фильтров, обеспечивает совмещение в пространстве фазовых центров НЧ и ВЧ излучателей, позволяет избавиться от сложных разделительных фильтров, что упрощает конструкцию и повышает надежность.
ts
Подвижная катушка 12 (фиг.2, 3) должна быть выполнена из материала с высокой электропроводностью, например, из меди или алюминия, или методом напыления металла на цилиндрический каркас из диэлектрика. Упругость уплотнительного кольца 13 и центровочной шайбы 14 выбирается такой, чтобы частота механического резонанса этой подвижной системы находилась в диапазоне частот от 1 до 5 кГц в зависимости от диаметра основного (низко-среднечастотного) диффузора и диаметра звуковой катушки 3. Полная добротность этой электромеханической системы Q должна быть около единицы для получения максимально ровной АЧХ в области средних частот. Это может быть обеспечено выбором материала уплотнительного кольца 13 и центровочной шайбой 14, а также введением вязкой демпфирующей жидкости, в том числе и ферромагнитной, в зазор между керном 7 и подвижной катушкой 12. Согласование отдачи ВЧ диффузора и основного (низко-среднечастотного) диффузора целесообразно обеспечить выбором формы (конус или купол), размера, массы и материала ВЧ диффузора, а не снижением тока, протекающего в короткозамкнутом витке, за счет введения в него дополнительных элементов, поскольку это неизбежно приведет к росту искажений и увеличению мощности, рассеиваемой подвижной катушкой 12. Величина магнитной индукции в зазоре должна быть такой, чтобы элементы магнитной системы - верхний 5 и нижний 6 фланцы и керн 7 не были насыщены, а рабочая точка находилась на линейной части кривой гистерезиса материала, из которого они изготовлены. Пылезащитный колпачок 11 должен быть изготовлен из акустически прозрачного материала.