16.08.2011 - Конспект лекций. Громкоговорители

2.1 Классификация громкоговорителей

Громкоговоритель - устройство, преобразующее электрический сигнал в звуковые колебания.
Составные узлы громкоговорителя:

• электроакустическая головка, в которой происходит преобразование электрического сигнала в звуковые колебания;
• акустическое оформление, которое используется для повышения эффективности излучения (акустический экран закрытый, открытый или фазоинверсный ящик, рупор);
• пассивные электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы.

Громкоговорители классифицируют:
1. По     способу     преобразования     электрической     энергии     в акустическую:
а) электродинамические;
б) электростатические:

• конденсаторные;
• пьезоэлектрические;

в) электромагнитные;
г) релейные.
2. По способу излучения:
а) прямого излучения (электродинамическая головка излучает звуковые колебания непосредственно в окружающее пространство);
б) рупорные (излучение звуковых колебаний происходит через рупор.

2.2 Характеристики громкоговорителей

Номинальная мощность - электрическая мощность, рассеиваемая на сопротивлении, равном номинальному электрическому сопротивлению громкоговорителя, ограниченная возникновением искажений, повышающих заданную норму.

механических повреждений.
Коэффициент полезного действия - отношение излучаемой громкоговорителем акустической мощности к электрической мощности на определенной частоте или в полосе частот со средней частотой fср.
Номинальное электрическое сопротивление - активное сопротивление, которым замещают громкоговоритель при измерении электрической мощности, потребляемой от источника сигнала. Номинальное сопротивление головок составляет 4, 8, 16, 25, 50 Ом.
Среднее стандартное звуковое давление - среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к нему напряжения, соответствующего мощности в 0,1 Вт. Рабочая ось - прямая проходящая через рабочий центр (геометрический центр симметрии выходного отверстия излучателя) в направлении преимущественного использования.
Характеристика направленности - зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля, от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на эту точку. Характеристика направленности изображается диаграммой направленности. В области низких частот излучение ненаправленное, а с увеличением частоты становится направленным.

2.3 Конструкция электроакустических головок

Электродинамическая головка прямого излучения.
Электродинамическая головка прямого излучения представлена на рисунке 7.
Она состоит из магнитной и подвижной систем. Магнитная система состоит из магнита 1, магнитопровода 2 и верхнего фланца 3. Магнит изготавливают из материалов с большой магнитной индукцией. Подвижная система головки состоит из каркаса со звуковой катушкой 4, находящейся в кольцевом воздушном зазоре, диффузора 5, являющегося излучателем, гофрированного подвеса 6,

соединяющего диффузор с с диффузодержателем 8, центрирующей шайбой 9, фиксирующей положение звуковой катушки в зазоре магнитной цепи, колпачка 7, увеличивающего площадь диффузора и его жесткость. Выводы катушки соединяют с выходом усилителя звуковых частот. Диффузор изготавливают из пенопласта или бумаги. Он является одновременно элементом колебательной механической системы и излучателем звуковых колебаний.
Принцип работы основан на взаимодействии переменного магнитного потока, создаваемого, протекающим по звуковой катушке, с магнитным полем создаваемым постоянным магнитом. В результате их взаимодействия появляется электродинамическая сила. Данная сила зависит от протекающего по катушке тока. Под действием электродинамической силы колеблется звуковая катушка, ее колебания передаются диффузору. При колебаниях диффузор приводит в движение частицы окружающей среды, создавая поперечное сжатие и разряжение ее, т. е. создает звуковые колебания.
Электродинамические головки обозначаются:

• цифрами, указывающими номинальную мощность;
• буквами ГД (головка динамическая);
• буквы указывающей частотное назначение головки Н, Ш, С (низко-, средне- и высокочастотная);
• цифр указывающих номер разработки;
• электрическое сопротивление.

Например, маркировка 35ГДН-1-8.соответствует низкочастотной (Н) электродинамической головке (ГД), мощностью 35 Вт, и электрическим сопротивлением 8 Ом.
Для расширения частотного диапазона и уменьшения неравномерности частотной характеристики применяют конструктивные усложнения.
Причиной неравномерности частотной характеристики громкоговорителя на низких частотах является дифракция звуковых волн при работе головки без экрана. На низких частотах длина излучаемой волны значительно больше размеров диффузора. В результате огибания взаимодействуют звуковые волны от передней и задней стенок диффузора. Если эти звуковые волны оказываются в противофазе, то звуковое давление, создаваемое громкоговорителем, в окружающем пространстве становится меньше. Такое явление называется коротким акустическим замыканием. Для устранения короткого акустического замыкания динамические головки устанавливают  в ящик.
Для улучшения воспроизведения сигналов низких частот, используют фазоинверсную систему: ящик, в передней стенке которого имеется дополнительное отверстие для излучения звуковой волны от задней стенки диффузора головки. 
Использование динамической головки с одним диффузором для получения звуковых колебаний в широком частотном диапазоне невозможно, т. к. для получения ВЧ колебаний диффузор должен быть менее подвижным, в то время как для получения НЧ колебаний он должен быть как можно более подвижным. Для расширения частотного диапазона используют двухдиффузионные динамические головки, в которых используется два диффузора (рисунок 8), один имеет жесткое крепление (2) и используется для формирования ВЧ колебаний, а второй - подвижный (1), используется для формирования НЧ колебаний.

Электростатический конденсаторный громкоговоритель
Данные громкоговорители позволяют получить более качественное звучание. Конструкция такого громкоговорителя приведена на рисунке 9.

Дифференциальный конденсаторный громкоговоритель состоит из двух перфорированных металлизированных пластин 2, являющихся неподвижными электродами, между которыми размещен подвижный электрод - мембрана 1 из тонкой металлизированной пленки. К электродам приложены поляризующие напряжения U0 и переменное напряжение электрического сигнала Uc. В зависимости от фазы напряжения Uс изменяется разность потенциалов между мембраной и неподвижными электродами. Это приводит к изменению сил притяжения между электродами, в результате чего мембрана притягивается то к одному, то к другому неподвижному электроду, в такт колебаниям напряжения Uс. Получаемые колебания через перфорации неподвижных электродов возбуждают звуковые колебания в окружающей среде.
Рупорный громкоговоритель
Рассмотренные выше громкоговорители имеют низкий КПД. Для получения более высокого КПД используются рупорные громкоговорители (рисунок 10).

Такие громкоговорители состоят из излучателя (головка динамическая) и рупор. Рупор представляет собой трубу с экспоненциальным законом изменения поперечного сечения. Входное отверстие в котором расположен излучатель, называется горлом, излучающее звук в окружающую среду - устьем.
Колебания излучателя (3) размещенного в горле рупора, сначала поступают во внутренний рупор (2), а из него в экспоненциальный наружный рупор и, достигая устья, излучаются в пространство. Рупорные громкоговорители воспроизводят диапазон частот 100 Гц ¸ 6кГц. Мощность громкоговорителей до 100 Вт. В месте с рупорными громкоговорителями используются радиальные. Они представляют собой 4 ¸ 6 динамических головок, расположенные по окружности.