ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА С НАНОДИСПЕРСНОЙ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ
ELECTRODYNAMIC HEAD WITH NANODISPERSED MAGNETIC LIQUID

Предлагаемое изобретение относится к звуковоспроизводящей технике и может применяться при изготовлении электродинамических громкоговорителей.
Широко известны электродинамические головки (Эфрусси М.М. Громкоговорители и их применение. М.: Энергия, 1971, с.11), содержащие диффузородержатель, диффузор, звуковую катушку, магнитную систему, состоящую из постоянного магнита, двух фланцев, керна, при этом керн образует с одним из фланцев рабочий зазор.
Недостатками данных электромагнитных акустических преобразователей являются их недостаточно высокое качество звуковоспроизведения.
Известна динамическая головка (Устройство динамической головки. НПП «ДИФФУЗОР», http://baseacoustica.ru/dinamicheskie-golovki/ustroystvo-dinamicheskoy-golovki.html), содержащие диффузородержатель, диффузор, звуковую катушку, магнитную систему, состоящую из постоянного магнита, двух фланцев, керна цилидрической формы, при этом керн образует с одним из фланцев рабочий зазор, заполненный коллоидным раствором или суспензией ферромагнитных частиц в минеральных или прочих маслах.
Недостатками данной динамической головки являются невысокие качество звучания, надежность и ресурс. Так в работе (Динамические головки, http://www.stereo.ru/whatiswhat.php?article_id=280) отмечается, что применение коллоидных растворов или суспензий ферромагнитных частиц ограничивает срок службы головки из-за значительного увеличения со временем их вязкости. Заполнение зазора магнитной системы динамической головки суспензией не обеспечивает стабильные временные характеристики динамической головки. Суспензия - это грубодисперсная система с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Частицы дисперсной фазы велики (более 10 мкм) и оседают со временем под действием силы тяжести (седиментируют). В магнитных суспензиях твердые частицы выполнены из магнитных материалов. Плотность магнитных материалов в несколько раз выше плотности используемых дисперсионных сред, поэтому даже при хранении в обычных условиях такие суспензии малоустойчивы и быстро расслаиваются. Помещение магнитных суспензий в магнитное поле только интенсифицирует этот процесс, и говорить о стабильности характеристик технических устройств с магнитными суспензиями, в том числе динамических головок, не приходится.
Коллоидные растворы (их называют магнитными жидкостями) обладают временной устойчивостью как в магнитном поле, так и без магнитного поля, что обеспечивает стабильность во времени характеристик устройств с их применением. Но устойчивость магнитных жидкостей сохраняется только в определенных условиях: в определенном диапазоне температур, до определенной напряженности магнитного поля, до определенных значений сдвиговых напряжений и т.д. При несоблюдении комфортных условий работы магнитные жидкости начинают разрушаться и расслаиваются.
кр
Возрастание вязкости магнитных жидкостей со временем в динамической головке, отмеченное в вышеуказанном источнике, обусловлено ее постепенным разрушением. Разрушение магнитной жидкости обусловлено присутствием в рабочем зазоре магнитной системы динамической головки зон повышенной напряженности магнитного поля, где магнитная жидкость разрушается. Для каждой магнитной жидкости существует критическое значение максимальной напряженности магнитного поля Н, до которого магнитная жидкость сохраняет свою устойчивость. Превышение критического значения напряженности приводит к потере устойчивости магнитной жидкости.
кр
Магнитную систему динамической головки проектируют таким образом, чтобы напряженность поля в зазоре не превышала Н. используемой магнитной жидкости. Но в магнитной системе динамической головки существует два вида локальных зон повышенной напряженности магнитного поля, которые не учитываются при проектировании.
Первый вид - это зоны повышенной напряженности магнитного поля, обусловленные кромочным эффектом. Кромочный эффект - концентрация магнитного потока и резкое повышение напряженности магнитного поля около кромки магнитопроводящей детали, находящейся в магнитном поле. Второй вид - зоны повышенной напряженности магнитного поля расположены около поверхности магнитопроводящей детали и обусловленные выступами шероховатой поверхности. Выступы шероховатой поверхности в магнитном поле являются микроскопическими концентраторами магнитного потока и создают зоны с повышенной напряженностью магнитного поля, также разрушающие магнитную жидкость.
Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, заключается в повышении надежности и ресурса работы электродинамической головки с нанодисперсной магнитной жидкостью, в повышении ее мощности при сохранении габаритов, в снижении искажений, в улучшении качества звучания.
Технический результат достигается тем, что в электродинамической головке, содержащей диффузородержатель, диффузор, звуковую катушку, магнитную систему, состоящую из постоянного магнита, двух фланцев, керна, рабочего зазора, зазор заполнен нанодисперсной магнитной жидкостью, кромки керна и фланца закруглены, на поверхностях керна и фланца, контактирующих с нанодисперсной магнитной жидкостью, нанесено немагнитное электропроводящее покрытие, на поверхности керна выполнена кольцевая канавка, отстоящая от торца керна на расстоянии, равном ширине фланца, в канавке размещено короткозамкнутое кольцо, выполненное из материала с высокой электропроводностью, наружная поверхность кольца расположена на одном уровне с поверхностью немагнитного электропроводящего покрытия керна, а на поверхности деталей, образующих внутреннюю полость магнитной системы, - керна, фланцев, постоянного магнита, нанесено электропроводящее покрытие, при этом форма сечения короткозамкнутого кольца совпадает с формой сечения кольцевой канавки керна.
На фиг.1 показана конструкция электродинамической головки с нанодисперсной магнитной жидкостью.
На фиг.2 показана магнитная система электродинамической головки с нанодисперсной магнитной жидкостью с немагнитным покрытием поверхностей деталей, образующих рабочий зазор.
На фиг.3 - графическое представление распределения напряженности магнитного поля в зазоре около кромок керна и фланца.
На фиг.4 - показан элемент шероховатой поверхности, графическое представление распределения напряженности магнитного поля в зазоре около шероховатой поверхности (сплошная линия 1) и около немагнитного покрытия (пунктирная линия 2).
На фиг.5 - показан элемент шероховатой поверхности, немагнитного электропроводящего покрытия, зазора, заполненного нанодисперсной магнитной жидкостью.
Электродинамическая головка с нанодисперсной магнитной жидкостью состоит из трех основных частей (фиг.1): магнитной системы 1, подвижной системы 2 и диффузородержателя 3. Подвижная система электродинамической головки включает в себя диффузор 4, звуковую катушку 5, центрирующую шайбу 6, пылезащитный колпак 7. Магнитная система состоит (фиг.2) из постоянного магнита 8, верхнего фланца 9, нижнего фланца 10, керна 11. Верхний фланец 9 и керн 11 образуют рабочий зазор 12, заполненный нанодисперсной магнитной жидкостью 13. В рабочий зазор 12 помещена звуковая катушка 5. На поверхности керна 11 выполнена кольцевая канавка 14, отстоящая от торца керна на расстоянии, равном ширине верхнего фланца 9, в канавке размещено короткозамкнутое кольцо 15, выполненное из материала с высокой электропроводностью, например меди, при этом форма сечения кольца 15 совпадает с формой сечения кольцевой канавки 14 керна 11. Кромки керна 11 и верхнего фланца 9, расположенные в области рабочего зазора 12, закруглены. Поверхности керна 11 и верхнего фланца 9, контактирующие с нанодисперсной магнитной жидкостью 13, имеют немагнитное электропроводящее покрытие 16. Наружная поверхность электропроводящего кольца 15 расположена на одном уровне с поверхностью немагнитного электропроводящего покрытия 16 керна 11. Поверхности деталей, образующих внутреннюю полость магнитной системы 17, - керна 11, нижнего фланца 10, постоянного магнита 8, верхнего фланца 9, имеют электропроводящее покрытие 18.
Электродинамическая головка с нанодисперсной магнитной жидкостью работает следующим образом. Постоянный магнит 8 является источником магнитного поля системы. Магнитный поток Ф, создаваемый магнитом, замыкается по следующему пути: северный полюс постоянного магнита 8 - верхний фланец 9 - зазор 12 между керном 11 и верхним фланцем 9 - керн 11 - нижний фланец 10 - южный полюс постоянного магнита 8. Зазор 12 между керном 11 и верхним фланцем 9 заполнен нанодисперсной магнитной жидкостью 13. В зазоре 12 находится цилиндрическая звуковая катушка 5, жестко связанная с диффузором 4. Звуковая катушка 5 расположена посередине зазора благодаря наличию центрирующей шайбы 6. Звуковая катушка 5 вместе с диффузором 4 и центрирующей шайбой 6 образуют подвижную систему головки 2. Переменный электрический ток, протекающий по звуковой катушке 5, взаимодействует с магнитным полем магнитной системы 1, приводит в движение диффузор 4. Колебания диффузора 4 возбуждают в окружающем воздушном пространстве звуковые волны, воспринимаемые человеческим ухом как звуки.
Нанодисперсная магнитная жидкость 13, находящаяся в зазоре 12, представляет собой коллоидный раствор нанодисперсных магнитных частиц в жидкости-носителе. Каждая частичка имеет размер порядка 5÷10 нм, что меньше одного домена, поэтому частичка является двухполюсным постоянным магнитом, покрытым защитной оболочкой. Защитная оболочка ограничивает сближение отдельных частиц и не позволяет им слипаться. Энергии броуновского движения достаточно, чтобы коллоидный раствор находился в устойчивом состоянии и не расслаивался в течение длительного промежутка времени.
Нанодисперсная магнитная жидкость 13 удерживается магнитным полем в зазоре 12 и обеспечивает повышенный теплоотвод от звуковой катушки 5 (по сравнению с воздухом примерно в 5 раз). Это позволяет повысить плотность тока в катушке и выходную мощность динамической головки. Нанодисперсная магнитная жидкость в зазоре играет также роль демпфера, существенно снижая искажения динамической головки, и улучшает качество звучания. Существующая конфигурация распределения магнитного поля в зазоре обеспечивает создание в нанодисперсной магнитной жидкости сил центрирования звуковой катушки 5 в зазоре 12.
Исследование магнитного поля в зазоре магнитной системы динамической головки показало, что вблизи поверхности керна 11 и верхнего фланца 9 существуют зоны повышенной напряженности магнитного поля (фиг.3), расположенные в области кромок деталей. В этих зонах напряженность магнитного поля может существенно превышать напряженность поля в зазоре 12 магнитной системы. Эти зоны являются местом, где нанодисперсная магнитная жидкость 13 не выдерживает внутренних перенапряжений и со временем разрушается. Отдельные частички жидкости слипаются и оседают на поверхности магнитопроводящих деталей в зонах с повышенной напряженностью поля. Нарушается связь частиц с дисперсионной средой, начинается расслоение нанодисперсной магнитной жидкости. Расслоение начинается в зонах повышенной напряженности, но при работе динамической головки под действием тепловых полей, под действием вибрирующей звуковой катушки 5 нанодисперсная магнитная жидкость 13 постоянно перемешивается в зазоре 12 магнитной системы. На место разрушившейся нанодисперсной магнитной жидкости поступает другая порция жидкости, которая также подвергается разрушению. Внешне это выражается в вытекании из зазора дисперсионной среды и в увеличении вязкости жидкости, оставшейся в зазоре.
В предлагаемой динамической головке кромки керна 11 и верхнего фланца 9 закруглены, что позволяет ликвидировать эти зоны повышенной напряженности. На фиг.3 пунктирной линией показано распределение напряженности поля около кромок деталей, образующих зазор магнитной системы динамической головки, после их закругления.
При изготовлении магнитной системы динамической головки на поверхностях деталей под воздействием обрабатывающего инструмента образуется множество микроскопических выступов и впадин (фиг.4), их величина и количество определяют шероховатость поверхностей. Шероховатость магнитопроводящих поверхностей приводит к тому, что около поверхности происходит перераспределение напряженности магнитного поля. Выступы концентрируют магнитный поток, около них образуются зоны с повышенной напряженностью магнитного поля (фиг.4). Во впадинах напряженность поля ослаблена. При удалении от поверхностей неоднородность магнитного поля, обусловленная шероховатостью поверхности, постепенно ослабевает и исчезает. Толщина слоя, в котором существует неоднородная напряженность магнитного поля, не велика и определяется высотой неровностей профиля шероховатой поверхности. Однако по сравнению с размерами частиц жидкости высота неровностей профиля шероховатой поверхности и неоднородность поля имеют значительные размеры. Так неровности профиля шероховатой поверхности высотой порядка 1,25÷2,5 мкм примерно в 100÷250 раз превышают средние размеры частиц нанодисперсной магнитной жидкости. Поэтому все механизмы возникновения повышенного взаимодействия частиц и образования структурных агрегатов около поверхности действуют в полном объеме. Неоднородность магнитного поля в приповерхностном слое, также как и на кромках магнитной системы, приводит к процессу разрушения и расслоения магнитной жидкости.
В предлагаемой динамической головке на поверхностях керна 11 и фланца 9, контактирующих с нанодисперсной магнитной жидкостью 13, нанесено немагнитное электропроводящее покрытие 16 (фиг.2 и 5). Толщина немагнитного электропроводящего покрытия выбирается таким образом, чтобы зоны повышенной напряженности магнитного поля (фиг.5), создаваемые выступами шероховатой поверхности, оказалась внутри покрытия. Нанодисперсная магнитная жидкость 13, находящаяся в зазоре 12 динамической головки, изолирована от зон повышенной напряженности магнитного поля, следовательно, не происходит ее разрушения, магнитная жидкость сохраняет свою работоспособность в динамической головке. Выполнение немагнитного покрытия 16 из электропроводящего материала снижает индуктивность звуковой катушки 5 в предлагаемой динамической головке. Короткозамкнутые токи, протекающие через электропроводное немагнитное покрытие 16, снижают магнитные потоки звуковой катушки 5 и соответственно ее индуктивность, что в конечном итоге способствует снижению искажений.
В предлагаемой динамической головке на поверхности керна 11 выполнена кольцевая канавка 14, отстоящая от торца керна на расстоянии, равном ширине верхнего фланца. Канавка позволяет уменьшить асимметрию магнитного поля по краям зазора 12 динамической головки, тем самым снизить гармонические (в основном в виде второй гармоники) и интермодуляционные искажения. В то же время эффективное сечение керна сохраняется практически на всей его длине, что не приводит к заметному снижению индукции в зазоре 12 и снижению сил взаимодействия звуковой катушки с магнитным полем зазора 12. Кроме этого, наличие канавки 14 позволяет снизить индуктивность звуковой катушки 5, что объясняется снижением длины пути магнитного потока звуковой катушки 5, проходящего через магнитопроводящий материал керна 11. Снижение индуктивности звуковой катушки 5 позволяет снизить амплитудные интермодуляционные искажения в низкочастотных и среднечастотных головках.
Короткозамкнутое кольцо 15, выполненное из материала с высокой электропроводностью и размещенное в канавке 14, выполняет роль колец Фарадея, снижает колебания основного магнитного потока магнитной системы динамической головки, т.е. стабилизирует магнитное поле рабочего зазора 12, а следовательно, ликвидирует искажения динамической головки. Кроме того, дополнительно роль гасителя колебаний основного магнитного потока играет электропроводное покрытие 18, которое наноситься на поверхности деталей, образующих внутреннюю полость магнитной системы 17, - керна 11, нижнего фланца 10, постоянного магнита 8, верхнего фланца 9. Электропроводящее покрытие 18 может наноситься не на все указанные детали, а только на некоторые. Колебания основного магнитного потока магнитной системы динамической головки возникают при наложении переменного магнитного поля звуковой катушки на магнитное поле рабочего зазора системы. Разумеется, и сам материал керна 11 играет роль короткозамкнутого витка, но из-за высокого удельного сопротивления железа его эффективность оказывается недостаточной. Расположение короткозамкнутого кольца 15 в канавке 14, во-первых, обеспечивает компактность системы, во-вторых, способствует снижению индуктивности звуковой катушки 5, так как является продолжением электропроводящего покрытия 16 керна 11. Наружная поверхность короткозамкнутого кольца 15 выполнена на одном уровне с немагнитными покрытиями 16 и 18 керна 11.
Таким образом, все представленные существенные признаки обеспечивают достижение следующего технического результата: повышение надежности и ресурса динамической головки, повышение ее мощность при сохранении габаритов, снижение искажений, существенное повышение качества звучания.