ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROACOUSTIC CONVERTER

Изобретение относится к электроакустике, в частности к конструкциям электроакустических преобразователей электродинамических громкоговорителей.
Известен акустический преобразователь [1], содержащий магнитную цепь с зазором, звуковую катушку, размещенную в магнитном зазоре и соединенную с мембраной, излучающая поверхность которой находится в предрупорной камере, переходящей в рупор, при этом излучатель снабжен перегородкой, образующей компрессионную камеру, которая может быть открытой или закрытой.
Однако существенным недостатком указанного преобразователя является низкий коэффициент полезного действия (КПД), а также нелинейные искажения. Это обусловлено тем, что акустический преобразователь имеет акустическую камеру, поглощающую значительную часть акустической энергии, а также является резонатором, ограничивающим частотный диапазон и вносящим нелинейные искажения.
Известен электроакустический преобразователь [2], в котором магнитная система содержит верхний кольцевой и нижний фланцы, центральный керн с дополнительными вентиляционными отверстиями, выполненный из магнитомягкого материала, четыре постоянных аксиально намагниченных кольцевых магнита, размещенных разноименными полюсами навстречу друг другу, между кольцевыми магнитами расположены два кольцевых полюсных наконечника, между которыми находится кольцевая немагнитная прокладка.
Однако данное устройство также имеет невысокий коэффициент полезного действия и существенные нелинейные искажения, вызванные неоднородностью магнитного потока.
Наиболее близким к заявляемому является электроакустический преобразователь [3], содержащий центральный керн, два постоянных аксиально намагниченных кольцевых магнита, размещенных между верхним и нижним кольцевыми фланцами и направленных друг к другу одноименными полюсами, между которыми расположена кольцевая магнитная многослойная прокладка и звуковая катушка, механически соединенная с мембраной, установленная в рабочем зазоре соосно и симметрично кольцевой магнитной многослойной прокладке.
Указанное устройство также не лишено недостатков вышеперечисленных аналогов, таких как невысокий коэффициент полезного действия и нелинейные искажения преобразователя, вызванные неоднородностью магнитного потока.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электроакустического преобразователя электродинамического громкоговорителя, позволяющего добиться более эффективного использования магнитного потока в зазоре и равномерного распределения магнитного потока в области звуковой катушки при различных значениях смещения звуковой катушки.
Технический результат - повышение КПД электроакустического преобразователя и уменьшение нелинейных искажений.
Указанная задача решается тем, что в электроакустический преобразователь, содержащий центральный керн и верхний кольцевой фланец, между которыми размещены постоянные кольцевые магниты, кольцевые полюсные наконечники, кольцевую немагнитную прокладку, звуковую катушку, установленную в рабочем зазоре соосно и симметрично кольцевой немагнитной прокладке, и звуковой излучатель, введены, по меньшей мере, два ферромагнитных кольца, установленные с внешней и внутренней стороны звуковой катушки, а звуковой излучатель механически соединен с одним из ферромагнитных колец.
Оптимально выполнить ферромагнитные кольца с добавлением алюминиевой мелкодисперсной крошки.
Ферромагнитные кольца также могут быть выполнены из ферромагнитного материала, алюминиевой мелкодисперсной крошки и компаунда.
Предпочтительно выполнить ферромагнитные кольца содержащими на сторонах, обращенных к внутренней и наружной сторонам звуковой катушки, слой магнитодиэлектрика.
Целесообразно, чтобы слой магнитодиэлектрика на ферромагнитных кольцах составлял в объеме 5-30% от объема ферромагнитного материала кольца.
Предпочтительно выполнить центральную кольцевую немагнитную прокладку из диамагнитного или парамагнитного материала.
Оптимально выполнить кольцевые полюсные наконечники из магнитомягкого материала.
Целесообразно выполнить центральный керн с вентиляционными отверстиями.
В предпочтительном варианте звуковой излучатель выполнен в виде диффузора конической формы.
Введение ферромагнитных колец, установленных с внешней и внутренней сторон звуковой катушки, и механическое соединение звукового излучателя с одним из ферромагнитных колец приводит к уменьшению магнитного сопротивления в рабочем зазоре и отведению тепла от звуковой катушки, что позволяет повысить КПД электроакустического преобразователя и уменьшить нелинейные искажения.
При нанесении слоя магнитодиэлектрика на ферромагнитные кольца возникает дополнительное отведение тепла от звуковой катушки и снижение нелинейных искажений, вызываемых ее перегревом. При этом происходит повышение надежности работы громкоговорителя, поскольку элементы катушки при благоприятном температурном режиме реже выходят из строя.
На фиг.1 представлена конструкция электроакустического преобразователя в разрезе.
На фиг.2 изображена конструкция электроакустического преобразователя с одним кольцевым магнитом.
Электроакустический преобразователь содержит звуковой излучатель 1, верхний кольцевой фланец 2, постоянные кольцевые магниты 6 и 7, между которыми расположены кольцевые полюсные наконечники 3 и 5, выполненные из магнитомягкого материала, кольцевую немагнитную прокладку 4, выполненную из диамагнитного или парамагнитного материала, центральный керн 8, звуковую катушку 9, расположенную между ферромагнитными кольцами 10 и 11, установленными с внешней и внутренней стороны звуковой катушки 9, с одним из которых механически соединен звуковой излучатель 1. Звуковой излучатель 1 выполнен в виде диффузора, имеющего коническую форму.
Ферромагнитные кольца 10, 11 выполнены из ферромагнитного материала, например из металлокерамики, и алюминиевой мелкодисперсной крошки. Кроме того, материал ферромагнитных колец может содержать компаунд, например эпоксидную смолу, добавление которого позволяет обеспечить более плотное прилегание ферромагнитных колец 10, 11 к звуковой катушке 9.
Ферромагнитные кольца 10, 11 содержат на сторонах, обращенных к внутренней и наружной сторонам звуковой катушки 9, слой магнитодиэлектрика (не показан).
При этом слой магнитодиэлектрика на ферромагнитных кольцах составляет в объеме 5-30% от объема ферромагнитного материала кольца.
Центральная кольцевая немагнитная прокладка 4 выполнена из диамагнитного или парамагнитного материала, например из алюминия.
Кольцевые полюсные наконечники 3, 5 выполнены из магнитомягкого материала, например стали.
Центральный керн 8 содержит вентиляционные отверстия 12, обеспечивающие дополнительный отвод тепла.
Электроакустический преобразователь в предпочтительном варианте исполнения работает следующим образом.
Основными причинами возникновения всех видов искажений являются нелинейные колебательные процессы в элементах подвижной системы, в частности в узле «звуковая катушка - магнитная цепь». Уменьшение нелинейных искажений в указанном узле приводит к значительному уменьшению нелинейных искажений в электродинамическом громкоговорителе. В связи с тем что КПД даже современных громкоговорителей не очень высок (примерно 1%), большая часть подводимой мощности рассеивается в виде тепла в звуковых катушках. При этом температура нагрева звуковых катушек может достигать 150-200°C. Столь высокое значение температуры нагрева является причиной разрушения звуковых катушек за счет сползания витков, обгорания каркасов и т.п., что ограничивает воспроизводимый динамический диапазон и приводит к выводу из строя электроакустического преобразователя в громкоговорителе. Кроме того, при высокой температуре нагрева происходит изменение активного сопротивления звуковой катушки в 1,5-2 раза по отношению к номинальному значению. Подобное возрастание активного сопротивления приводит к ухудшению качества звучания громкоговорителя при больших уровнях сигнала за счет рассогласования их параметров с фильтрами, изменения формы амплитудно-частотных характеристик и т.д.
Нелинейные искажения, возникающие в процессе электромеханического преобразования в громкоговорителях, определяются нелинейной зависимостью силы F, которую испытывает катушка с обмоткой, находящаяся в радиальном магнитном поле при пропускании через нее переменного тока.
Характер этой зависимости определяется тем, что в силу выявленных в результате измерения значений индукции в магнитной цепи установлено, что она распределена в зазоре неравномерно и несимметрично.
При смещении звуковой катушки 9 вверх или вниз меняется плотность магнитного потока, вследствие чего величина F является нелинейной функцией смещения. При этом звуковая катушка 9 с обмоткой, находящаяся в радиальном магнитном поле, при пропускании через нее переменного тока испытывает действие силы, зависящей от индукции в зазоре, длины провода и величины переменного тока. Эта сила приводит в движение звуковой излучатель 1, механически жестко связанный ферромагнитным кольцом 11, охватывающим внутреннюю сторону звуковой катушки 9. Вследствие этого звуковой излучатель 1, выполненный в виде диффузора конической формы представляет собой поршневой излучатель и имеет одну степень свободы колебаний в осевом направлении. Магнитное поле создается кольцевыми постоянными магнитами 6, 7 и магнитной цепью, состоящей из верхнего фланца 2, центрального керна 8 и полюсных наконечников 3, 5. Между керном 8 и фланцем 2, установленным в средней части электроакустического преобразователя, расположен кольцевой зазор, в котором размещена звуковая катушка 9, охватываемая ферромагнитными кольцами, свободно колеблющаяся в нем. В центральном керне 8 имеются вентиляционные отверстия 12 для отвода тепла. При подаче электрического сигнала в звуковую катушку 9 она колеблется в магнитном поле, создаваемом магнитной системой, состоящей из центрального керна 8, верхнего фланца 2, полюсных наконечников 3, 5, кольцевых постоянных магнитов 6, 7 и немагнитной прокладки 4. При этом колебания катушки 9, которая находится между ферромагнитными кольцами 10 и 11, передаются диффузору 1. Такая конструкция позволяет наиболее оптимально и равномерно распределить магнитный поток в области звуковой катушки и отводить тепло, выделяемое звуковой катушкой.
Электроакустический преобразователь может быть выполнен с одним кольцевым магнитом 6 (фиг.2) и содержать верхний кольцевой фланец 2, центральный керн 8 с дополнительными вентиляционными отверстиями, один кольцевой магнит 7, звуковую катушку 9 с ферромагнитными кольцами 10 и 11 и звуковой излучатель 1.
Звуковая катушка 9, механически связанная через ферромагнитное кольцо 11 с звуковым излучателем 1, расположена в зазоре между центральным керном 8 и верхним кольцевым фланцем 2. Данная конструкция является более дешевой и технологичной, однако ее основные характеристики, такие как высокий КПД и низкие нелинейные искажения, остаются такими же, как и в заявляемой конструкции с двумя кольцевыми магнитами.
Число ферромагнитных колец в заявляемом изобретении может быть различным, но не менее двух, охватывающих звуковую катушку с обеих сторон. Их число определяется параметрами обмотки, например, при двухслойной обмотке звуковой катушки 9 число ферромагнитных колец равно 3, а при четырехслойной обмотке звуковой катушки их число выбирается равным 5.
Выполнение конструкции заявляемого электроакустического преобразователя позволяет повысить его КПД за счет снижения магнитного сопротивления зазора и уменьшить нелинейные искажения благодаря более равномерному распределению магнитного потока в обмотке звуковой катушки при любых положениях звуковой катушки и за счет эффективного отвода тепла.
Литература
1. Патент США №3930129, опубл. 30.12.1975 г.
2. Патент РФ №2018210, опубл. 15.08.1994 г.
3. Патент США №2018211, H04R 9/00, опубл. 28.02.1992 г.