Головной телефон и динамик

 

 

 

Сделаем отступление.

На данный момент в обиходе и профессиональной практике, популярность приобрело слово "динамик", вместо слова громкоговоритель. Сам громкоговоритель ассоциируется с большой акустической системой  или рупором. Хотя, можно называть так как вам нравиться. Основу динамика составляет электродинамическая система. Слово «динамо» означает -  движение. Головной телефон как и динамик — устройства для преобразования электрических сигналов (меняющийся ток) в акустические (звуковые колебания) и излучения их в окружающее пространство. Родителей у головного телефона  достаточно много, каждый доказывал свое первенство. Белл запатентовал первую электродинамическую головку как одну из составных частей своего телефона в 1876 г.

 

 

 

 Конструкция была усовершенствована Вернером фон Сименсом. Никола Тесла в 1881 г также заявил об изобретении подобного устройства, 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, 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. Слово "головной телефон" произошло от английского Headphone («голова-телефон»).

 

Головной телефон

 

 

Во втором десятилетии ХХ века был налажен массовый выпуск головных телефонов, конструктивные особенности электромагнитных излучателей звуковой частоты стали оптимальными. Широкое применение нашли у связистов, аудиометристов, военных, спецслужб.  Кстати, они практически без изменений сохранились до наших дней, как и название «головные телефоны». Их описание и конструкция  близки  современным системам сертификации. В пластмассовый корпус вмонтирован постоянный магнит с магнитопроводом. На постоянный магнитный поток этой системы накладывается переменный поток звуковой частоты, создаваемый надетыми на магнитопровод катушками, к которым через клеммы подводится напряжение звуковой частоты. Перед полюсными наконечниками постоянного магнита находится мембрана. Под воздействием постоянного и переменного магнитных потоков мембрана колеблется в такт с переменным магнитным потоком и излучает акустическую волну, поступающую в ухо. Очевидно, что конструкция накладывает на качество звучания электромагнитных излучателей определенные ограничения, несовместимые с использованием в современной звуковой индустрии. Здесь используются устройства со звуковыми излучателями другого принципа действия — электродинамическими. А вот использовать в наушниках электродинамические громкоговорители первым догадался немецкий электроакустик Байер, создатель компании Beyerdynamic.

 

Динамическая головка

 

Динамические головки бывают разных типов; полно-диапазонная (широкополосная — ГДШ, головка динамическая широкополосная), низкочастотная (ГДН), среднечастотная (ГДС), высокочастотная (ГДВ).

С тыльной стороны корпуса — магнитная система. В нее входит кольцеобразный магнит из магнитных сплавов или из магнитной керамики. В магнитную цепь входят стальные фланцы и стальной цилиндр — керн. Только в одном месте стальная магнитная цепь разорвана, имеет кольцеобразный воздушный зазор —  в нем находится подвижная катушка, ее обычно называют звуковой катушкой. Чтобы не ослаблять магнитное поле, охватывающее витки звуковой катушки, зазор для нее делают очень небольшим, расстояние между катушкой и стенками «туннеля», в котором она ходит, измеряется долями миллиметра, в худшем случае миллиметрами. Катушка подвешивается на эластичной центрирующей шайбе.

 

Устройство стандартной динамической
головки и изделия фирмы JVC

 

К катушке прикреплен конический диффузор, спрессованный или отлитый из особой бумажной массы. Именно он, двигаясь вместе с катушкой, подобно поршню насоса, увлекает за собой основную массу воздуха. На диффузоре или на отдельной плате закреплены две медные заклепки — к ним подпаяны выводы звуковой катушки. От этих заклепок отходят два гибких медных подводящих провода. В зависимости от исполнения и акустического оформления  для более эффективного излучения звука в заданной полосе частот применяют дополнительные конструктивные элементы.

 

Обозначение головных телефонов и динамиков.

 

Условное графическое обозначение акустических приборов, преобразующих электрические колебания в звук — телефонов и головок громкоговорителей (динамиков) — построены на основе базовых символов, упрощенно воспроизводящих их боковую проекцию.

 

Условное обозначение катушек.

Обозначение                                                                 Реальный вид          

 

Дополнительные символы

Характеристики динамика.

При подаче электрического сигнала звуковой частоты, катушка производит вынужденные колебания в поле постоянного магнита под действием силы Ампера, увлекая диффузор и через неё создавая волны разрежения и сжатия в воздухе. Связка «диффузор-катушка» колеблется с такой же частотой, как и частота подаваемого тока. При малой толщине магнитопроводов, образующих зазор, 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. Силу, действующую на катушку можно вычислить, применив закон Ампера

Для повышения коэффициента полезного действия динамика необходимо увеличивать толщину магнитопроводов, образующих зазор, при этом пропорционально увеличению зазора уменьшается магнитная индукция в зазоре B, но увеличивается относительная рабочая часть катушки, то есть относительная рабочая часть длины провода катушки l до некоторой величины, после которой относительная рабочая часть длины провода катушки начинает уменьшаться.

 

Номинальный диаметр dном

Внешний диаметр диффузородержателя, или  расстояние между противоположными крепёжными отверстиями. Для компрессионных драйверов — диаметр горла рупора.

Номинальная мощность Pном

Наибольшая электрическая мощность при переменном токе, которую допустимо подавать на громкоговоритель. Наиболее широко используемые громкоговорители имеют мощность 0,1; 0,5; 2; 3; 6и 8 Вт, однако, производятся и большие громкоговорители мощностью 30, 50 и более ватт. Надо добавить еще, что коэффициент полезного действия (КПД) громкоговорителей не превышает 10%, т. е. при подаваемой электрической мощности в 1 Вт, получаемая звуковая мощность не более 0,1 Вт. При подборе динамика этот параметр очень важен. Головка может быть разрушена  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.

Номинальное сопротивление (импенданс) Zn

В сущности это комплексное сопротивление катушки при определенной частоте. Практически его можно найти, измерив активное сопротивление катушки индуктивности и умножив его на 1,25. Наиболее часто используемые громкоговорители имеют комплексное сопротивление от 2 до 8 Ом, но имеются и такие, у которых оно достигает значения 100 Ом. Например, если громкоговорители имеют мощность 1 Вт и комплексное сопротивление катушки индуктивности 4 Ом, то в номинальном режиме (т. е. при сильном звуке) на катушку должно действовать переменное напряжение с действующим значением 2 В, а протекающий ток должен иметь величину 0,5 А.

Частота воспроизведения Fвос

Идеальным динамиком считается тот, который воспроизводит одинаково сильно сигналы низких, средних и высоких звуковых частот (при условии, что подаваемые электрические колебания имеют одну и ту же амплитуду). На самом деле низкие и высокие частоты воспроизводятся слабее, чем средние. Полоса частот динамика ограничивается теми частотами, при которых воспроизведение уменьшается на 30% относительно средних частот.

Параметры Тиля — Смолла Fs, Qts, Qes, Qms, Vas

Набор электроакустических параметров, который определяет поведение динамической головки (динамика) в области низких частот. Эти параметры публикуются в спецификациях  как справочные для производителей акустических систем.

Тиль и Смолл (слева-направо)

Большинство параметров определяются только на резонансной частоте динамика, но в общем применимы во всем диапазоне частот, в котором динамик работает в поршневом режиме. Расшифруем эти параметры

Fs -частота основного резонанса динамика без всякого корпуса. Характеризует только сам динамик, а не готовую акустическую систему на его базе. При установке в любой объём может только возрастать.

Qts-полная добротность динамика, безразмерная величина, характеризующая относительные потери в динамике. Чем она ниже, тем больше подавлен резонанс излучения и тем выше пик сопротивления на импедансной кривой. При установке в закрытый ящик возрастает.

Qes-электрическая составляющая полной добротности, характеризует мощность электрического тормоза, препятствующего раскачке диффузора вблизи резонансной частоты. Обычно чем мощнее магнитная система, тем сильнее «тормоз» и тем меньше численно величина Qes.

Qms-механическая составляющая полной добротности, характеризует потери в упругих элементах подвеса. Потерь здесь намного меньше, чем в электрической составляющей, и численно Qms гораздо больше Qes.

Vas-эквивалентный объём динамика. Равен объёму воздуха с такой же жёсткостью, что и у подвеса. Чем жёстче подвес, тем меньше Vas. При одной и той же жёсткости Vas растёт с ростом площади диффузора.

 

 

больше 0,5, разумеется, другие, и на них начинает расти горб,

обусловленный повышенной добротностью

 

Акустическая система

состоит из акустического оформления и вмонтированных в него излучающих головок. Когда диффузор движется вперед, он создает перед собой область сжатия, а позади — область разрежения. Во время обратного движения диффузора область сжатия появляется с тыльной стороны громкоговорителя, а впереди него — область разрежения.

 

Корпус — важный элемент акустических установок. Он сильно влияет на качество звучания,  выполняя роль акустического экрана. Ему передаются колебания диффузора, и он сам превращается в излучатель звука. Динамик одновременно излучает две звуковые волны, причем сдвинутые по фазе на 180°. Ослабляют они друг друга весьма заметно. Акустическая система бывает широкополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт звуковое давление в своей частотной полосе).

При прямом включении, динамик звучит тихо (рис 1). Поместим громкоговоритель в ящик (рис 2) и наполним звукопоглощающим  материалом, мощность сразу увеличивается. Если внутри ящика (рис 3) предусмотрим  дополнительные стенки (акустические лабиринты), улучшится качество воспроизведения.

Пример

Сконструируем  акустический агрегат (колонку) из разных типов громкоговорителей. Объединяя динамики нужно хорошо подумать и посчитать. В наличии имеются BA1 ( P = 4Вт, R = 8 Ом) и ВА2,  ВА3 (P = 1Вт, R = 8 Ом). Найдем величину сопротивления, чтобы громкоговорители получили свою номинальную мощность.

 

Решение

Распределим динамические головки согласно принципиальной схеме.

Вычислим общее сопротивление цепи согласно закону Ома.

Cопротивление в ветви BA2, BA3 будет 16 Ом. Оно значительно больше общего сопротивления. Ток в нее пойдет меньше. Итоговая мощность 6 Вт разделится равномерно, по номинальной громкоговорителей.