Универсальный электрический эквивалент громкоговорителя
UNIVERSAL ELECTRICAL EQUIVALENT OF LOUDSPEAKER

Область техники
Изобретение относится к звукоусилительной технике и предназначено для использования при разработке, наладке и измерениях электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты как в дискретном, так и в интегральном исполнениях, а также выполненных по смешанной дискретно-интегральной технологии. Цель изобретения - расширение имитационных возможностей устройства. Поставленная цель достигается введением возможностей электрической имитации таких вариантов акустического оформления головки громкоговорителя, как закрытый корпус, закрытый корпус с пассивным излучателем и рупор, а также введением возможности отсутствия имитации какого-либо акустического оформления головки, громкоговорителя, для чего в схеме устройства подключение третьего резистора к точке соединения первой катушки индуктивности с имитатором подвижной системы головки громкоговорителя разрывается и вводится однонаправленный многопозиционный переключатель, позволяющий подключить точку соединения первой катушкой индуктивности с имитатором подвижной системы головки громкоговорителя либо к имитатору закрытого корпуса с фазоинвертором, либо к введенному имитатору закрытого корпуса, состоящему из четвертой катушки индуктивности, либо к введенному имитатору закрытого корпуса с пассивным излучателем, состоящему из последовательно соединенных пятой катушки индуктивности и контура, состоящего из параллельно соединенных четвертого резистора, третьего конденсатора и шестой катушки индуктивности, либо к введенному имитатору рупора, состоящему из последовательно соединенных седьмой катушки индуктивности и пятого резистора, либо оставить точку соединения первой катушкой индуктивности и имитатора подвижной системы головки громкоговорителя без дополнительного подключения.
Описание аналогов
При разработке, наладке и исследовании характеристик оконечных усилителей звуковоспроизводящей аппаратуры используются электрические эквиваленты нагрузки усилителей мощности, состоящие из активных и реактивных пассивных элементов, комплексный характер суммарного сопротивления которых имитирует частотные свойства входного электрического сопротивления реальной нагрузки усилителя.
Известно стандартизированное устройство, представляющее собой эквивалент реактивной нагрузки выхода усилителя для подключения громкоговорителя, используемый при проведении измерений электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты [1]. Эквивалентом нагрузки служит электрическая цепь, имитирующая полное сопротивление нагрузки, для работы с которой предназначен усилитель (например, динамический громкоговоритель) [1, с. 49].
Известное устройство содержит последовательно соединенные первый резистор и колебательный контур, состоящий из параллельно соединенных первого конденсатора, второго резистора и первой катушки индуктивности [1, Приложение 2, с. 51, черт. 24].
К недостаткам известного устройства можно отнести то, что, несмотря на указание в [1, черт.24], что цепь является эквивалентом реактивной нагрузки выхода усилителя для подключения громкоговорителя, сопротивление устройства носит реактивный характер только в относительно узком диапазоне частот в районе частоты резонанса параллельного колебательного контура. На более высоких частотах сопротивление устройства носит чисто активный характер. К тому же, оно не позволяет имитировать наличие акустического оформления головки громкоговорителя.
Описание прототипа
Наиболее близким к заявленному решению является устройство, представляющее собой электрический эквивалент нагрузки усилителей сигналов звуковой частоты и содержащее последовательно соединенные первый резистор, первую катушку индуктивности и имитатор подвижной системы головки громкоговорителя, состоящий из параллельно соединенных второго резистора, первого конденсатора и второй катушки индуктивности, параллельно имитатору подвижной системы головки громкоговорителя подключен имитатор закрытого корпуса с фазоинвертором, состоящий из последовательно соединенных третьего резистора, второго конденсатора и третьей катушки индуктивности, при этом один вывод третьего резистора подключен к точке соединения первой катушки индуктивности с имитатором подвижной системы головки громкоговорителя, другой его вывод подключен ко второму конденсатору [2].
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, можно отнести то, что устройство позволяет имитировать только такое акустическое оформление громкоговорителя как закрытый корпус с фазоинвертором, хотя в условиях эксплуатации головок громкоговорителей могут использоваться и другие виды оформления, наиболее применимыми из которых являются закрытый корпус, закрытый корпус с пассивным излучателем и рупорное оформление, также известное устройство не позволяет имитировать отсутствие какого-либо акустического оформления головки громкоговорителя в условиях испытаний усилителей сигналов звуковой частоты.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширение имитационных возможностей устройства.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается во введении возможностей электрической имитации таких вариантов акустического оформления головки громкоговорителя, как закрытый корпус, закрытый корпус с пассивным излучателем и рупор, или вообще отсутствия какого-либо акустического оформления.
Указанный технический результат достигается тем, что в схеме устройства подключение третьего резистора к точке соединения первой катушки индуктивности с имитатором подвижной системы головки громкоговорителя разрывается и вводится однонаправленный многопозиционный переключатель, позволяющий подключить точку соединения первой катушкой индуктивности с имитатором подвижной системы головки громкоговорителя либо к имитатору закрытого корпуса с фазоинвертором, либо к введенному имитатору закрытого корпуса, состоящему из четвертой катушки индуктивности, либо к введенному имитатору закрытого корпуса с пассивным излучателем, состоящему из последовательно соединенных пятой катушки индуктивности и контура, состоящего из параллельно соединенных четвертого резистора, третьего конденсатора и шестой катушки индуктивности, либо к введенному имитатору рупора, состоящему из последовательно соединенных седьмой катушки индуктивности и пятого резистора, либо оставить точку соединения первой катушкой индуктивности и имитатора подвижной системы головки громкоговорителя без дополнительного подключения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного решения, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна».
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где R1 - первый резистор; L1 - первая катушка индуктивности; 1 - имитатор подвижной системы головки громкоговорителя; R2 - второй резистор; С1 - первый конденсатор; L2 - вторая катушка индуктивности; 2 - имитатор закрытого корпуса с фазоинвертором; R3 - третий резистор; С2 - второй конденсатор; L3 - третья катушка индуктивности; 3 - имитатор закрытого корпуса; L4 - четвертая катушка индуктивности; 4 - имитатор закрытого корпуса с пассивным излучателем; L5 - пятая катушка индуктивности; R4 - четвертый резистор; С3 - третий конденсатор; L6 - шестая катушка индуктивности; 5 - имитатор рупора; L7 - седьмая катушка индуктивности; R5 - пятый резистор; 6 - однонаправленный многопозиционный переключатель; 6.1-6.5 - положения подвижного контакта переключателя.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Сущность изобретения поясняется электрической схемой, приведенной на фигуре.
Устройство содержит последовательно соединенные первый резистор R1, первую катушку индуктивности L1 и имитатор 1 подвижной системы головки громкоговорителя, состоящий из параллельно соединенных второго резистора R2, первого конденсатора С1 и второй катушки индуктивности L2, параллельно имитатору подвижной системы головки громкоговорителя подключен имитатор 2 закрытого корпуса с фазоинвертором, состоящий из последовательно соединенных третьего резистора R3, второго конденсатора С2 и третьей катушки индуктивности L3, при этом один вывод третьего резистора подключен к точке соединения первой катушкой индуктивности L1 с имитатором 1 подвижной системы головки громкоговорителя, другой его вывод подключен ко второму конденсатору С2.
Первый резистор R1 устройства имитирует активное сопротивление звуковой катушки головки громкоговорителя, которое измеряется на постоянном токе при неподвижной катушке. Первая катушка индуктивности L1 имитирует индуктивное сопротивление звуковой катушки головки громкоговорителя, которое мало влияет в области низких частот, но обусловливает существенный подъем АЧХ модуля полного сопротивления громкоговорителя в области высоких частот.
Элементы параллельного колебательного контура представляют собой электрический имитатор 1 подвижной системы головки громкоговорителя и предназначены: второй резистор R2 имитирует активные сопротивления, включая трение катушки о воздух в зазоре, механические потери в диффузоре, центрирующей шайбе и подвесе, а также активную составляющую сопротивления излучения; первый конденсатор С1 имитирует массу всей подвижной системы, включая массу диффузора, массу звуковой катушки, часть массы подвеса и присоединенную к диффузору массу воздуха; вторая катушка индуктивности L2 имитирует гибкость подвеса и гибкость центрирующей шайбы. Параллельный резонанс контура 1 имитирует механический резонанс подвижной системы, т.е. основной резонанс динамической головки в свободном пространстве. Первая катушка индуктивности L1, вторая катушка индуктивности L2 и первый конденсатор С1 образуют контур, имитирующий электромеханический резонанс в динамической головке.
Явно выраженная частотная зависимость модуля полного электрического сопротивления головки громкоговорителя осложняет согласование усилителя мощности сигналов звуковой частоты с нагрузкой. В результате этого явления не удается использовать для всех рабочих частот полную мощность неискаженных колебаний, которую усилитель способен отдать согласованной нагрузке, так как возникает нежелательная зависимость от частоты активной и полной мощностей, потребляемых громкоговорителем.
При обращении к частотной зависимости чувствительности головки громкоговорителя легко отметить, что ниже частоты резонанса механической системы головки постоянство чувствительности нарушается, и она имеет всплеск. Отсюда оправдано стремление к уменьшению частоты резонанса механической системы, что влечет за собой увеличение протяженности равномерного участка частотной зависимости чувствительности головки.
Устранение всплеска чувствительности головки изменением особенностей конструкции ее подвижной системы приводит к различным эффектам. Например, увеличение гибкости подвеса всей подвижной системы головки в практическом плане приводит к ухудшению механической надежности фиксации катушки в кольцевом зазоре магнита. Увеличение площади диффузора приводит к увеличению чувствительности, однако это не должно сопровождаться увеличением массы подвижной системы, которое ведет к обратному эффекту.
В тоже время добиться улучшения согласования усилителя мощности с громкоговорительной нагрузкой можно мерами выравнивания частотной характеристики модуля входного электрического сопротивления громкоговорителя, то есть компенсацией влияния реактивных составляющих на полный модуль входного сопротивления. К таким мерам относится применение различных видов акустического оформления головки громкоговорителя, среди которых можно отметить закрытый корпус, закрытый корпус с фазоинвертором, закрытый корпус с пассивным излучателем и рупорное оформление.
Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах, а также увеличить механическое демпфирование головки громкоговорителя, что позволяет «сгладить» резонансы и уменьшить неравномерность частотной характеристики входного сопротивления громкоговорителя. Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот.
Корпус с фазоинвертором - корпус, в котором имеется отверстие, позволяющее использовать излучение тыльной поверхности диффузора. Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и массой воздуха в корпусе.
Схема устройства содержит электрический имитатор 2 акустического оформления в виде закрытый корпус с фазоинвертором. Элементы последовательной цепи имитатора 2 отражают эффект повышения эффективности излучения в области низких частот и предназначены для моделирования влиянии фазоинвертора на полное входное сопротивление громкоговорителя: третий резистор R3 имитирует щелевые потери за счет различных утечек; второй конденсатор С2 имитирует акустическую массу воздуха в отверстии или трубе фазоинвертора с учетом соколеблющейся массы воздушной среды; третья катушка индуктивности L3 имитирует гибкость воздушного объема корпуса.
В схеме предлагаемого устройства подключение третьего резистора R3 к точке соединения первой катушкой индуктивности L1 с имитатором 1 подвижной системы головки громкоговорителя разрывается и вводится однонаправленный многопозиционный переключатель 6, позволяющий подключить точку соединения первой катушки индуктивности L1 и имитатора 1 подвижной системы головки громкоговорителя либо к имитатору 2 закрытого корпуса с фазоинвертором (положение переключателя 6.1), либо к введенному имитатору 3 закрытого корпуса, состоящему из четвертой катушки индуктивности L4 (положение переключателя 6.2), либо к введенному имитатору 4 закрытого корпуса с пассивным излучателем, состоящему из последовательно соединенных пятой катушки индуктивности L5 и контура, состоящего из параллельно соединенных четвертого резистора R4, третьего конденсатора С3 и шестой катушки индуктивности L6 (положение переключателя 6.3), либо к введенному имитатору 5 рупора, состоящему из последовательно соединенных седьмой катушки индуктивности L7 и пятого резистора R5 (положение переключателя 6.4), либо оставить точку соединения первой катушкой индуктивности L1 и имитатора 1 подвижной системы головки громкоговорителя без дополнительного подключения (положение переключателя 6.5), чем имитировать электрическое сопротивление головки громкоговорителя без акустического оформления.
Закрытый корпус является простым и распространенным видом акустического оформления. Такой корпус полностью изолирует заднюю поверхность диафрагмы головки громкоговорителя от внешних воздействий, но в тоже время нагружает ее упругим сопротивлением воздуха закрытого корпуса. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что используются головки громкоговорителей с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в возвращающую силу, приложенную к диафрагме. Акустическая гибкость головки громкоговорителя, помещенной в закрытый корпус, теперь зависит от гибкости подвеса головки и гибкости воздуха в корпусе, причем в электроакустическом эквиваленте эти гибкости соединены последовательно, что означает уменьшение результирующей общей гибкости.
В связи с изложенным выше электрический эквивалент головки громкоговорителя, помещенной в закрытый корпус, должен претерпеть изменение величины индуктивности катушки, входящей в имитатор электромеханического резонанса головки громкоговорителя. Поэтому переводом подвижного контакта переключателя 6 в положение 6.2 параллельно катушке индуктивности L2, имитирующей гибкость подвеса и гибкость центрирующей шайбы, подключается катушка индуктивности L4, входящая в имитатор 3 закрытого корпуса и имитирующая гибкость воздуха в закрытом корпусе. Общая индуктивность катушки, имитирующей гибкость системы в целом, снизится, а частота механического резонанса повысится, однако при правильно подобранных электромеханических параметрах головки громкоговорителя и корпуса в акустических системах такого типа можно получить максимально гладкую форму АЧХ на низких частотах, чем обеспечить чистое, сухое звучание низких частот.
Еще одной разновидностью акустического оформления громкоговорителя, способной обеспечивать воспроизведение громкоговорителем низких частот при сравнительно небольших габаритах корпуса, является закрытый корпус с пассивным излучателем.
Особенностью этого оформления является то, что головка громкоговорителя размещается в корпусе, имеющем вблизи места ее установки отверстие, с закрепленной в нем подвижной системой второй головки громкоговорителя без магнитной системы и центрирующей шайбы. Диаметр диффузора пассивной головки обычно выбирается приблизительно равным диаметру диффузора основной головки громкоговорителя.
Как правило, пассивный излучатель настраивается на частоту в 2-3 раза ниже резонансной частоты головки в отличие от настройки фазоинвертора, резонансная частота которого может лишь незначительно отличаться от резонансной частоты головки.
Имитатор 4 закрытого корпуса с пассивным излучателем содержит пятую катушку индуктивности L5, имитирующую гибкость воздушного объема корпуса, и параллельный контур, представляющий собой электрический эквивалент подвижной системы пассивной головки громкоговорителя и состоящий из четвертого резистора R4. третьего конденсатора С3 и шестой катушки индуктивности L6.
В электроакустическом эквиваленте рупорного громкоговорителя помимо параметров элементов подвижной системы головки громкоговорителя должны быть представлены параметры элементов предрупорной камеры (гибкость воздуха предрупорной камеры) и рупора (активное сопротивление излучения рупора, приведенное к площади диафрагмы), причем эти элементы в акустическом аспекте соединены параллельно друг другу. Это означает, что в электрическом имитаторе рупорного оформления должны присутствовать последовательно соединенные катушка индуктивности и резистор, что и отражено в схеме устройства: введенный имитатор 5 рупора содержит последовательно соединенные катушку индуктивности L7 и резистор R5.
Из выше изложенного очевидно, что введение в эквивалент нагрузки усилителя дополнительных элементов, имитирующих особенности применения таких акустических оформлений громкоговорителя как закрытый корпус, закрытый корпус с пассивным излучателем и рупорное оформление, позволит расширить имитационные возможности электрического эквивалента нагрузки, подключаемого к выходу усилителя в условиях разработки, наладки и проведения измерений его параиетров, чем приблизить эти условия к эксплуатационным.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования при разработке, наладке и измерениях электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
для использования в усилителях сигналов звуковой частоты, и в частности в усилителях низкой частоты в интегральном исполнении, в усилителях мощности в дискретном исполнении и выполненных по смешанной дискретно-интегральной технологии;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. ГОСТ 23849-87. АППАРАТУРА РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ БЫТОВАЯ. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты. - М.: Издательство стандартов, 1990 (Приложение 2, черт.24, с. 51).
2. Патент на полезную модель 110212 (RU 110212 U1) Российская Федерация, МПК Н03Н 5/02 (2006.01). Эквивалент нагрузки усилителей сигналов звуковой частоты [Текст] / Тихонова Л.С.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения. - №2011118798, 10.05.2011. Опубл.: 10.11.2011, бюллетень №31 (прототип).