Конструирование АС со сдвоенными динамическими головками

Традиционные динамические голов­ки имеют ряд недостатков среди которых наиболее существенны замет­ная неравномерность АЧХ и нелиней­ные искажения, возрастающие с уве­личением мощности и понижением частоты звуковых сигналов. Эти недо­статки обусловлены конструкцией ди­намических головок (несимметричная форма диффузора неравномерное и несимметричное распределение маг­нитной индукции в воздушном магнит­ном зазоре, нелинейность гибкости подвеса подвижной системы и др.). а также технологией их производства. Искажения звуковых сигналов особен­но ощутимы в низкочастотном диапазо­не. где для высококачественного вос­произведения музыкальных сигналов необходима мощность значительно больше, чем для воспроизведения средних и высоких звуковых частот.

Работы по совершенствованию кон­струкций и технологии производства динамических головок ведутся посто­янно. При этом разрабатывают новые формы магнитных систем, звуковых катушек. диффузоров. подвесов подвижных систем, применяют новые материалы. Качество воспроизведения АС с современными динамическими головками существенно повысилось и удовлетворяет большинство потреби­телей, но конструкция головок остается несимметричной. Добиться полной симметрии электромеханической сис­темы в традиционной конструкции динамическои головки пока не удается Для уменьшения четных гармоник в излучении низкочастотных колебаний электродинамическими головками не­которые зарубежные фирмы стали ус­танавливать в колонку четыре однотип­ные головки, размещая на передней панели одну пару диффузорами наружу, а другую пару — диффузорами внутрь ящика, как. например, в низкочастот­ном блоке AC Audio-Pro В4-2000. Установка большого числа одинаковых головок на лицевой панели колонки при расширенной полосе частот создает интерференцию звуковых волн и сужает диаграмму направленности излучения.

Оптимальный вариант в решении вопроса высококачественного воспро­изведения низких частот и получения диаграммы направленности излучения без провалов — установка одной пары сдвоенных головок необходимой мощ­ности по типу «диффузор к диффузору». Такое расположение стали применять в выпускаемых зарубежными фирмами АС через несколько лет после опубли­кования статьи о сдвоенных динамиче­ских головках в журнале «Радио» .

Сдвоенные динамические головки используются зарубежными фирмами и радиолюбителями при изготовлении акустических систем (АС) для высоко­качественного воспроизведения низких частот звукового диапазона Примером могут быть АС датской фирмы JAMO (JAMO PUSH-PULL JAMO РР3000) (4) и АС С Турина . Сдвоенные головки типа диффузор к диффузору» (рис. 1) используются в АС только для вос­произведения низких частот. Сдваива­ние обычных НЧ головок по этому типу позволяет простым путем получить симметричную конструкцию, превосхо­дящую по нелинейным и частотным искажениям современную НЧ головку аналогичной мощности. Сдвоенные го­ловки типа «диффузор за диффузором.

На (рис. 2) в основном рекомендуется использовать в АС небольшой мощно­сти для воспроизведения всего звуко­вого диапазона с применением широ­кополосных головок. Для повышения качества воспроизведения высоких частот рекомендуется такие АС допол­нить высокочастотной головкой.

АС небольшой мощности

Параметры сдвоенных динамичес­ких головок отличаются от параметров одиночных. Детального технико-экономического анализа и расчетов АС с та­кими головками в литературе нет. по­этому часть публикации в журналах по использованию сдвоенных головок со­держат наряду с правильными вывода­ми грубые ошибки. Основными ошиб­ками являются головок . по объединению не двух, а большего их числа, и применение сдвоенных головок типа «диффузор за диффузором» в высококачественных АС .

Прежде чем перейти к особенностям расчета громкоговорителей со сдвоен­ными головками, полезно привести анализ физических процессов, про­исходящих в них и влияющих на их ос­новные параметры, для исключения ошибок при конструировании АС. Фи­зические процессы в головках, сдвоен­ных по типам «диффузор к диффузору» и «диффузор за диффузором», одина­ковы. Разница между ними состоит в качестве воспроизведения звуковых сигналов, о чем детально будет описа­но ниже.

Диффузоры сдвоенных головок свя­заны между собой объемом воздуха, заключенного между ними Этот объем должен быть герметизирован во избе­жание нежелательных явлений. Оба диффузора при воспроизведении зву­кового сигнала движутся синфазно. т. е либо оба наружу, либо оба внутрь кор­пуса АС.

Диффузор наружной головки излу­чает звуковые волны во внешнее воз­душное пространство, а диффузор внутренней головки помогает наружно­му преодолевать упругость воздуха внутри корпуса громкоговорителя, имитируя ящик большего объема, и совершать большую амплитуду по сравнению с такой же одиночной голов­ой при том же токе звуковой катушки и в аналогичных условиях. Объем воздуха между диффузорами в некоторой сте­пени оказывается присоединенной массой, влияя на фактические парамет­ры этого тандема.

Звуковые колебания в объеме возду­ха. заключенного между диффузорами, должны быть синфазными с колебания­ми внешнего диффузора. Однако иде­ально синфазными в широкой полосе они быть не могут, так как с ростом частоты сдвиг по фазе акустических колебаний от внутреннего диффузора и собственно колебаний внешнего диф­фузора нарастает. По этой причине сдвоенные головки могут корректно работать только в той полосе частот, в которой длина звуковых волн много больше расстояния между их диффузо­рами. т. е. только в низкочастотной час­ти звукового спектра. Например, для верхней частоты Fнч 150 Гц полосы нч длина волны

λнч = C/Fнч = 344/150 = 229 см. где СзВ — скорость звука в воздухе (м/с).

Среднее расстояние г между диффу­зорами сдвоенных головок 6ГД-2 РРЗ равно 5 см, и разница в фазе колебаний внешнего диффузора и акустических колебаний от внутреннего диффузора составляет:

Δφнч = г/Λ 360 = 5/229 360 = 8 град. На более низких частотах этот фазо­вый сдвиг еще меньше, и это практиче­ски не вносит искажений при воспроиз­ведении реальных звуковых сигналов в полосе НЧ.

Для верхней частоты полосы СЧ. равной 5 кГц, длина волны составит φсч = 344/5000 = 0,069 м = 6.9 см.

Среднее расстояние г между диффу­зорами сдвоенных головок ЗГД-1 РРЗ равно 3 см. и разница в фазе колебаний составит

λφсч = г/λ 360 = 3/6.9· 360 = 155 град.

То есть звуковая волна от внутренне­го диффузора к внешнему придет прак­тически в противофазе и создаст зна­чительный провал АЧХ на этой частоте. Это и является той причиной, из-за которой нельзя сдваивать СЧ головки, тем более что на этих частотах амплиту­ды колебаний звуковой катушки и диф­фузора СЧ головки значительно мень­ше. чем у ИЧ головок. Это позволяет обеспечить высокое качество звучания средних частот в традиционном вари­анте соответствующими современны­ми головками.

По этой же причине при сдваивании широкополосных головок для вос­произведения всего диапазона частот сдвоенной головкой необходимо звуко­вую катушку внутренней головки зашунтировать конденсатором соответствую­щей емкости, сопротивление которого на частоте 10ОО Гц примерно в десять раз меньше модуля электрического сопротивления головки. При этом эффект сдвоенных головок проявится только в полосе НЧ. а сигналы более высоких частот будут воспроизводить­ся только внешней головкой. Для таких АС рекомендуется сдваивать головки по типу диффузор за диффузором. Широкополосные головки лучше вос­производят средние и высокие частоты передней частью диффузора, а некоторые из них снабжены дополнительным конусом для воспроизведения высших частот Естественно, в АС со сдвоенны­ми широкополосными головками каче­ство воспроизведения низких частот существенно улучшится, а объем ящика уменьшится по сравнению с примене­нием в АС таких же одиночных головок. При сдваивании их по типу «диффузор к диффузору» средние и высокие частоты ослабляются фильтром НЧ кроссовера Схемы соединений сдвоенных голо­вок приведены на рис. 3 в соответст­вии с конструктивным способом сдваи­вания. Варианты соединения по схемам на рис. З.а.б не требуют дополнитель­ного блокирования головки внутри кор­пуса на частотах, где задержка по фазе становится существенной.

Варианты соединения

При «тандемном» объединении, как показано на рис З.в.г. задержка по фазе больше, поэтому необходимы блокирующие реактивные цепи для ограничения полосы эффективного излучения тыловой го­ловки (ВА2).

При объединении в один блок более двух головок появятся недопустимые фазовые сдвиги звуковых волн между крайними головками даже в низкоча­стотном диапазоне из-за большого расстояния между ними, а увеличенные габариты этого блока необходимо до­бавить к расчетному объему ящика АС. В результате общии обьем АС умень­шится не столь существенно, как при сдвоенных головках, но неоправданно увеличится стоимость АС и более мощ­ного усилителя Кроме того, амплитуда колебании диффузора наружной излу­чающей головки в этом случае не может возрасти больше, чем это получается при сдваивании двух головок из-за ограниченных возможностей подвеса и звуковой катушки. Совершенно очевид­но. что, кроме существенных потерь в КПД и полезном объеме ящика АС. в результате увеличения числа головок ничего не получится.

Для высококачественных АС реко­мендуется сдваивать головки по типу «диффузор к диффузору», и только для воспроизведения низких частот. Этот вариант эффективно подавляет все виды искажений , особенно четные гармоники, которые вызывают ощути­мые нелинейные искажения.

Приведенный ниже сравнительный анализ покажет что основные парамет­ры сдвоенных головок, касающиеся ка­чества воспроизведения звуковых сиг­налов. существенно выше одиночных.

Сечение звуковой катушки

Нелинейные искажения обычных электродинамических головок заложе­ны в традиционных конструкциях маг­нитных систем с несимметричным и неравномерным распределением маг­нитной индукции в магнитном воздуш­ном зазоре  и несимметричной кони­ческой формой диффузоров, обладаю­щих «парашютным эффектом’ сопро­тивления воздуху, а также несимметричным размещением звуковых кату­шек в магнитной системе и нелинейной гибкостью подвесов подвижных системП1-8 сдвоенных головках по типу диф­фузор к диффузору» достигаются сле­дующие эффекты:

—     нелинейность гибкости подвесов подвижных систем частично компенси­руется;

—  результирующая форма излучате­ля становится симметричной.

—     компенсируется несимметричное расположение звуковых катушек в маг­нитных системах: это наиболее полно достигается путем подбора экземпля­ров головок с одинаковым смещением звуковых катушек, вызванным погреш­ностью в сборке.

—   результирующее смещение под­вижной системы в поршневом диапазо­не сдвоенных головок становится сим­метричным относительно магнитной системы вследствие компенсации силы притяжения звуковой катушки с током к магнитопроводу и неравномерности магнитной индукции в зазоре магнит­ной системы.

На рис. 4 показаны сечения звуко­вой катушки 1 в магнитной системе 2 и графики зависимости магнитной индук­ции В1 и B2 в области зазоров сдвоен­ных головок ВАК БА2. Значения х1 и х2 соответствуют глубине зазора.

В головках сдвоены по типу » диф­фузор за диффузором», устраняются только несимметричное расположение звуковых катушек в воздушных магнит­ных зазора,путем подбора экземпля­ров головок с противоположным сме­шением звуковых катушек, а также неравномерность АЧХ с низкочастотной полосе.

Паспортная мощность электроди­намической ГОЛОВКИ — ЭТО МОЩНОСТЬ, при которой головка может длительно работать без повреждений Эти мощно­сти у сдвоенных головок любого типа в два раза больше, чем у аналогичных ОДИНОЧНЫХ головок.

Электрическое сопротивление электродинамической головки — ве­личина комплексная которая зависит от частоты основного сигнала и дости­гает максимума по модулю на частоте основного резонанса. У сдвоенных головок любого типа при последова­тельном соединении звуковых катушек сопротивление в два раза больше, а при параллельном о два раза мень­ше. чем у аналогичных одиночных голо­вок.

Амплитудно-частотная характе­ристика (АЧХ) электродинамической головки представляет собой зависи­мость 3BvKoeoro давления от частоты воспроизводимого сигнала при неиз­менной подводимой к звуковой катушке мощности , выпускаемые до настоящего времени головки имеют неравно­мерные АЧХ причем АЧХ разных экземпляров одного и того же типа головок имеют разную неравномер­ность и несколько отличные частоты основного резонанса подвижных сис­тем В сдвоенных головках пики и про­валы в полосе НЧ частично компенси­руются и АЧХ получается более гладкой, а в полосах СЧ и 84 эти головки не работают как сдвоенные по указанным выше причинам.

Коэффициент полезного дейст­вия (КПД) электродинамической голов­ки зависит от параметров ее конструк­тивных элементов:

КПД = k ·B2 Sr ‘эфф/М, где к — коэффициент пропорционально­сти. учитывающий удельное сопротив­ление медного провода и обьем звуко­вой катушки; В — магнитная индукция в воздушном магнитном зазоре; S, эфф — эффективная площадь диффузора; М, — масса подвижной системы.

Из этого соотношения следует, что наибольшее звуковое давление (гром­кость) создают головки с наибольшим, легким диффузором и более мощной магнитной системой в сравнении с дру­гими головками такой же мощности. Однако такие головки требуют большего объема ящика АС. который, как будет показано ниже, прямо пропорционален эффективной площади диффузора, гиб­кости подвеса подвижной системы и обратно пропорционален массе под­вижной системы. В сдвоенных головках эффективная площадь диффузора и гибкость подвеса подвижной системы в два раза меньше, а масса подвижной такая же, как у двух одиночных головок.

В связи с этим результирующий КПД сдвоенных головок уменьшается, одна­ко это окупается снижением всех видов искажений, нижней граничной частоты воспроизводимого диапазона и умень­шением объема ящика АС.

Эквивалентный объем электроди­намической головки — это объем возду­ха в ящике, гибкость которого равна гиб­кости подвижной системы головки В сдвоенной головке подвесы работают параллельно, поэтому результирующая гибкость ее в два раза меньше одной одиночной. Соответственно эквивалент­ный объем сдвоенной головки в два раза меньше одной и в четыре раза — двух одиночных головок :

V-,rr = (V ,! + V«3)/4t где V. ч — эквивалентный объем сдво­енной головки; V,lt V 2 — эквивалент­ные объемы одиночных головок.

Частота основного резонанса электродинамической головки с под­вижной системой в виде диффузора гофра, центрирующей шайбы и звуко­вой катушки, обладающей массой и гибкостью, представляет собой меха­ническую резонансную систему.

В сдвоенных головках Мг в два раза больше, а Со в два раза меньше, чем у одиночных головок, поэтому, если не учитывать массу воздуха между диффу­зорами, частота основного резонанса при сдваивании головок не меняется.

Приведенных параметров достаточ­но для расчета АС со сдвоенными го­ловками.

Методика расчета подобных АС такая же, как и с одиночными головка­ми. Особенность же заключается в пра­вильном определении параметров сдвоенных головок исходя из парамет­ров используемых одиночных головок .

Объем ящика АС определяется из зависимости частоты основного резо­нанса головки от его объема. При уста­новке любой головки в ящик закрытого типа частота основного резонанса повышается, и тем больше, чем меньше объем ящика. Основным параметром ящика является гибкость внутреннего объема воздуха, которая прямо пропор­циональна его объему и обратно про­порциональна эффективному диаметру диффузора в четвертой степени:

Ся= 1,14/D4дэфф.

Из этой зависимости следует, что гибкость воздуха в большей степени зависит от диаметра диффузора, чем от объема ящика, поэтому уменьшение диаметра диффузора сдво­енной головки относительно двух одиночных существенно повышает Ся. Нельзя счи­тать, что эквивалентный диа­метр сдвоенных головок в два раза меньше двух оди­ночных. Пересчет нужно вес­ти через эффективную пло­щадь диффузоров, т. е. экви­валентный диаметр двух одиночных головок будет равен

2Sя эфф = ¶D²экв/4.

Из этого следует: Dэфф = 1,41Dэфф .

Эффективный диаметр диффузора сдвоенных головок меньше в 1.41 раза по сравнению с эквивалентным эффек­тивным диаметром двух одиночных головок.

Обычно для расчета объема ящика АС применяют проверочный ящик, но это не всегда удобно и требует допол­нительных затрат труда и материалов.

Если ящик окажется больше желае­мого, тогда придется выбрать несколь­ко выше fp или и пересчитать объем ящика. По крайней мере, это менее тру­доемко, чем изготовление проверочно­го ящика.

В заключение следует отметить, что все известные методики расчетов АС. с учетом приведенных выше изменений параметров, пригодны для конструиро­вания АС со сдвоенными головками всех типов (открытый ящик, фазоинвертор, лабиринт, с рупором, ПАС и т. п.). При конструировании АС со сдвоенны­ми головками необходимо учитывать, что головки вместе с элементами крепления занимают определенный объем, который необходимо прибавлять к рас­считанному объему ящика. Максималь­ное качество звучания достигается при установке сдвоенных головок в фазоинвертор. Для более рационального ис­пользования объема ящика АС автором разработана высококачественная АС  с применением НЧ узла, защищенного авторским свидетельством . Также рекомендуются варианты установки сдвоенных головок, приведенные на рис. 5.

Установка сдвоенных головок

Выходные отверстия могут быть круглыми, овальными или прямоугольными, открытыми или закрытыми деко­ративными решетками. В качестве ма­териала для ящиков рекомендуется применять ДСП которая более доступ­на и не издает призвуков, как фанера или доска. Учитывая, что внутренняя головка демпфирует отраженные звуко­вые волны внутри ящика, звукопо­глощающее покрытие внутренних сте­нок можно не применять.

Все варианты акустического оформ­ления на рис 5 предусматривают связь с внешним воздушным пространством через некоторое подобие рупора, кото­рый улучшает согласование высокого механического сопротивления элект­ромеханической системы сдвоенных динамических головок с низким сопро­тивлением излучения, что дополни­тельно повышает качество звучания АС.

Метки: , , , , .


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Проверочный код *

Разработка сайта: cryptonic