Громкоговоритель

Файл:Polypropylen-Konustieftoner Genelec 1030.jpg

Громкоговоритель  — электроакустическое устройство воспроизведения звука.

В настоящее время в русскоязычной технической литературе вместо термина "громкоговоритель" применяется термин "головка динамическая" (ГД); - терминология в соответствии с принятым стандартом ОСТ 4.383.001-85. Головки громкоговорителей динамические. Общие ​технические условия. В стандарте для описания ГД используется термин "головка громкоговорителя динамическая прямого излучения", в связи с тем, что ГД является не готовым изделием, а комплектующим элементом для построения акустических систем, или громкоговорителей. Под громкоговорителем подразумевается акустическая система, состоящая, как правило, из нескольких ГД, реже из одной, также в ее состав входит корпус, могут присутствовать блок разделительных фильтров, и в случае активной АС - также и усилитель мощности звуковой частоты. Иногда ГД еще называют "динамик", но этот термин следует скорее отностить к разговорному и бытовому языку.

ГД встроены в телефоны, радио, телевизоры и другие приборы бытовой техники.

Устройство

Ранние конструкции

Классическая конструкция

Головка электродинамической системы является электроакустическим преобразователем электрического сигнала в продольные колебания воздуха, воспринимаемые как звук. ГД обычно устроена следующим образом: имеется постоянный магнит цилиндрической формы, вокруг которого располагается гильза с катушкой из тонкой лакированной медной проволоки, гильза жёстко закреплена одним концом с бумажным, металлическим (реже) (вспененный никель), полимерным диффузором, либо с диффузором из кевларовых нитей. Выводы с катушки могут быть закреплены непосредственно на диффузоре, как видно на рисунке вверху. Диффузор обычно имеет коническую форму, но может быть и овальным, и близким к прямоугольной форме. Соответственно, если диффузор, например, овальный, рама имеет также овальную форму. Связка «диффузор—катушка» может перемещаться относительно магнита в небольших пределах, при этом катушка перемещается внутри цилиндрического магнита, не касаясь его, а диффузор несколько изменяет свою форму и сильне - положение относительно рамы. Вся эта конструкция закреплена в специальной металлической либо пластиковой раме, именуемой диффузородержателем. В конструкции более простых и дешёвых громкоговорителей, а также небольших средне- и высокочастотных громкоговорителей и громкоговорителей в наушниках может применяться непосредственное крепление диффузора к раме, при этом по краям диффузора, около кромки рамы, часто организуется характерная рельефная полоса. Она служит для увеличения гибкости и подвижности головки относительно рамы. В более дорогих и качественных среднечастотных и в большинстве низкочастотных громкоговорителях применяется подвес (также известный как верхний подвес), изготавливаемый обычно из плотной резины. Подвес представляет собой резиновое кольцо между рамой и диффузором. Он имеет колею по всей длине окружности, это увеличивает его гибкость и уменьшает износ. Края диффузора закреплены на внутреннем крае кольца подвеса, а внешний край подвеса прикреплён к раме. Такая конструкция обеспечивает большой ход головки при воспроизведении сильных импульсных колебаний и при воспроизведении низких частот. Можно заметить невооружённым глазом, как диффузор низкочастотного динамика дрожит в такт басам при воспроизведении музыки. Ход диффузора и головки может, в случае большой громкости и подходящей конструкции динамика, достигать нескольких сантиметров и более, однако при превышении эксплуатационных параметров напряжения, подаваемого на динамик, возможно разрушение динамической системы. Помимо этого, возможно перегорание катушки из тонкой проволоки вследствие чрезмерно высокого протекающего по ней тока. Следует отметить, что регулярное прослушивание музыки на максимальных уровнях громкости отрицательно влияет на здоровье, вызывая психические и нервные расстройства и уменьшение чувствительности слуха.

Диффузор сравнительно жёсткий и сохраняет постоянную форму, однако обращаться с ним следует бережно, не прилагать значительных усилий, так как бумага - не слишком прочный материал и может порваться, а полимер - смяться или оторваться. В случае повреждения диффузора громкоговоритель обычно сохраняет работоспособность, однако прослушивание, например, музыки на нём не доставит удовольствия - из-за порывов на диффузоре возникают сильные искажения, дребезги и хрипы, нарушаются многие параметры громкоговорителя.

В случае, если динамик проектируется как широкополосный, или по крайней мере излучающий расширенный диапазон частот, в центре диффузора часто размещается бумажный, полимерный или металлический купол. Дело в том, что если при воспроизведении низших расчётных для данного динамика частот колеблется вся поверхность диффузора, то при излучении высших частот данного динамика - только центральная часть, область около катушки. Поэтому купол служит для улучшенного воспроизведения высоких частот.

Мощность динамиков, как правило, измеряется в ваттах (при этом существует PMPO - общая мощность, которую потребляет динамик, и выходящая мощность (КПД динамиков как правило не превышает 1-3%). PMPO обычно составляет сотни ватт (иногда - киловатты для мощных колонок), а выходная мощность - ватты, реже десятки ватт (для мощных динамиков), очень редко более ста.

Рупорные громкоговорители

Данный тип громкоговорителей примняется в случаях, когда не требуется высокое качество звука. Такой громкоговоритель состоит из рупорной электродинамической головки прямого излучения и рупора. Чаще всего применяется как наружнее устройство для массового оповещения, для излучения сигналов тревоги, сеть таких громкоговорителей имеется в распоряжении управления ГО и ЧС России. Использовались в прошлом в многополосной акустике, преимущественно в киноиндустрии, для воспроизведения средних и высоких частот, от 1000 до 20000 Гц, нынче эти функции взяли на себя среднечастотные динамики классической конструкции и высокочастотные твиттеры соответственно. Для более низких частот такие громкоговорители неприменимы, так как требуется рупор слишком большого размера. Главное достоинство - высокий КПД. Высокочастотные твиттеры

Данный тип динамика в качестве излучателя использует купол из ткани, пластика, металла. Телефонные капсюли

Данный тип динамика, называемый также "телефон", до недавнего времени широко применялся в телефонии, в радиоделе и в составе головной гарнитуры. Обладает неравномерной АЧХ и низким качеством звучания, тем не менее свои задачи выполнял хорошо. Представляет собой эбонитовый или пластмассовый корпус, с отвинчивающейся сверху крышкой. В крышке имеется обычно 3 отверстия. Данный тип громкоговорителей является высокоомным. Наряду с телефонными капсюлями электродинамической системы, а ранее - гораздо чаще, в телефонии применяются телефонные капсюли электромагнитной системы.

Принцип работы

При подаче электрического сигнала звуковой частоты на выводы катушки на её полюсах возникает магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего катушка вместе с диффузором перемещается в зазоре относительно постоянного магнита. Связка "диффузор-катушка" колеблется с такой же частотой, как и частота подаваемого тока. При малой толщине магнитопроводов, образующих зазор, действительно работает только малая часть катушки, приблизительно равная толщине магнитопроводов зазора. Выходящие за пределы зазора части катушки почти не работают, у таких динамиков очень низкий коэффициент полезного действия. Для повышения коэффициента полезного действия динамика необходимо увеличивать толщину магнитопроводов, образующих зазор. При изменении амплитуды электрического сигнала звуковой частоты также изменяется положение диффузора. Так как электрический сигнал звуковой частоты, подаваемый на катушку, имеет частоту в пределах слышимости человеческого уха, то и диффузор колеблется относительно постоянного магнита с такой же частотой.

Здесь следует сделать замечание, что реальная частота колебаний диффузора большинства ГД и прилегающих слоёв воздуха лежит в пределах примерно 300 — 12000 Гц, причём чем меньше, хуже и проще громкоговоритель, тем у́же этот частотный диапазон и тем менее линейна его амплитудно-частотная характеристика. На частотах за пределами этого диапазона излучаемая мощность незначительна. Для воспроизведения наиболее низких частот небольшие по размерам ГД вовсе непригодны.

Колеблющийся диффузор создаёт в воздухе звуковые волны, воспринимаемые ухом человека. Таким образом, с помощью ГД электрический сигнал звукового диапазона частот с усилителя преобразуется в звук.

Следует повториться, что при воспроизведении наиболее низких частот из частотного диапазона, воспроизводимого динамиком, работает вся поверхность диффузора, а при воспроизведении высших частот из частотного диапазона - только центральная его часть, что располагается над катушкой. Поэтому в широкополосных динамиках часто в центре устраивается металлическая, полимерная или бумажная накладка - купол в целях улучшения воспроизведения высоких частот.

Применения

Описанная классическая конструкция является базовой и может применяться в недорогой технике, там, где не требуется высокое качество звука. Для высококачественного воспроизведения проектируются более сложные и совершенные громкоговорители.

Для создания более качественной аудиосистемы одну или несколько динамических головок помещают в корпус в виде коробки из дерева, либо пластика или металла таким образом, чтобы изолировать лицевую и тыльную поверхности диффузора друг от друга и исключить «перетекание» воздуха вокруг кромки рамы громкоговорителя. Полученное изделие называется аудиоколонка, а совокупность аудиоколонок называется акустическая система. Если в акустической системе присутствует встроенный усилитель, такая акустическая система называется активной, в противном случае - пассивной. Создание акустических систем, имеющих максимально чистое, естественное и натуральное звучание — весьма трудоёмкая и сложная задача, так как на конечный результат влияет множество факторов.

Устройство электродинамической головки благодаря свойству обратимости идентично по принципу действия устройству динамического микрофона, и, таким образом, эти устройства могут быть взаимозаменяемыми. Например, во многих конструкциях переговорных устройств, домофонов, и даже в подслушивающих устройствах, некогда монтировавшихся спецслужбами в приёмники проводного радиовещания, в качестве приёмника звука — микрофона могли использоваться динамические головки.

Технические характеристики динамической головки

Основными техническими характеристиками динамической головки являются:

• Тип динамической головки - Полно-диапазонная (широкополосная), низкочастотная, среднечастотная, высокочастотная
• Номинальный диаметр - как правило, внешний диаметр диффузородержателя (рамы). Реже - диаметр подвеса диффузора либо расстояние между противоположными крепёжными отверстиями. Для компрессионных драйверов - диаметр горла рупора.
• Мощность - номинальная, программная (длительная), либо пиковая (краткосрочная) подводимая мощность, которую выдерживает головка до своего разрушения. Головка может быть разрушена и гораздо меньшей мощностью, если динамик нагружается сверх своих механических возможностей на очень низких частотах (например, электронная музыка с большим количеством баса или органная музыка), также разрушение может быть вызвано перегрузкой ("клипированием") усилителя мощности.
• Импеданс (номинальное сопротивление) - как правило, динамические головки имеют импеданс 2Ом, 4Ом, 8Ом, 16Ом.
• Частотная характеристика - Измеренная, либо заявленная, выходная характеристика на заданном диапазоне частот при входном сигнале постоянной амплитуды на всём заданном диапазоне. Как правило, указывается предел отклонений характеристики, например, "±3dB".
• Параметры Тиля - Смолла - Набор элеткроакустических параметров, характеризующих головку как колебательную систему.
• Чувствительность - уровень звукового давления, производимый динамической головкой при подаче сигнала мощностью 1 Ватт, измеренное на расстоянии 1 метр от головки.
• Максимальный уровень звукового давления - максимальное давление, которое может развить головка без своего повреждения либо без превышения заданного уровня искажений. Зависит во многом от чувствительности головки и её мощности. Данный параметр приводится, как правило, как измеренный на произвольном (по усмотрению производителя) диапазоне частот и типе сигнала.

История громкоговорителя

Александер Грэм Белл запатентовал первую электродинамическую головку (капсюль) как одну из составных частей своего телефона, в 1876 г. В 1878 г. конструкция была усовершенствована Ве́рнером фон Си́менсом. Никола Тесла в 1881 г. также заявил об изобретении подобного устройства, [1], но не патентовал его. В то же время Томас Эдисон получил британский патент на систему, использовавшую сжатый воздух в качестве механизма усиления звука в его ранних валиковых фонографах (см. сирена (акустика), и в конечном итоге установил обычный металлический рупор, колебания воздуха в котором вызывались мембраной, связанной с иглой. В 1898 г. Х. Шорт запатентовал конструкцию динамической головки, управляемую сжатым воздухом, и затем продал права Чарльзу Парсонсу, получившему ранее 1910 г. еще несколько британских патентов. Несколько компаний, включая Victor Talking Machine Company и Pathe(Пате) , выпускали проигрыватели, использующие головки, управляемые сжатым воздухом. Однако подобные устройства (головки косвенного излучения)нашли лишь ограниченное применение ввиду плохого качества звука и неспособностью воспроизводить звуки низкой громкости. Разновидности подобных систем использовались в звукоусилительных установках (для больших площадей, стадионов и т.п.) и значительно реже - другие разновидности - применяемые в промышленности в испытательной технике вибростенды, например, для тестирования космического оборудования на устойчивость к низкочастотным вибрациям, производимым стартующей ракетой.

Современная конструкция головки с подвижной катушкой разработана в 1898 г. Оливером Лоджем. Принцип был запатентован в 1924 г. Честером У. Райсом и Эдвардом У. Келлогом.

Первые ГД с электромагнитами были очень больших размеров, а мощные постоянные магниты - труднодоступны ввиду значительной стоимости. Обмотка электромагнита, называемая полевой, намагничивается за счет тока, проходящего по другой обмотке головки (катушке подмагничивания). Такое включение имеет двоякую роль, ибо выполняет фильтрацию напряжения, питающего усилитель, к которому подключена данная акустическая система. Проходя по обмотке, фон переменного тока усиливается; однако, частоты переменного тока стремятся промодулировать аудиосигнал, поданный на звуковую катушку и складывающийся с слышимым шумом включенного устройства звуковоспроизведения.

Качество акустических звуковоспроизводящих систем до начала 50-х годов 20 века было низким. Продолжающееся до сих пор улучшение дизайна корпусов и материалов привело к существенному улучшению качества звуковоспроизведения. Наиболее значительными усовершенствованиями являются: усовершенствование рамы, открытие технологии высокотемпературной адгезии, улучшение технологии изготовления постоянных магнитов, усовершенствование измерительной техники, и наконец проектирование и анализ элементов при помощи компьютера.

Номенклатура

Номенклатура советских громкоговорителей

Номенклатура зарубежных громкоговорителей

См. также

• Электростатический громкоговоритель
• Наушники
• Микрофон
• Звук
• Звукозапись
• Звуковая колонка
• Параметры Тиля - Смолла

Ссылки

• Процесс изготовления динамиков с фотографиями
• Параметры некоторых из выпускаемых в России ГД
• Lenard Education — Speaker Principles  (англ.)