Конструкция и характеристики динамических громкоговорителей (динамиков)
Автор: Сэр Мурр Опубликовано 23.12.2005
Рассмотрим конструкцию и характеристики типового динамического громкоговорителя (динамика).
Внешние размеры — обычно от 5 до 30 см в переводе на диаметр диффузора, масса соответствует размерам.
Диффузор – эта штука воспроизводит звук. Материал диффузора — чаще всего, прессованная бумага (целлюлоза) с пропиткой для ширпотребных моделей. Основное — чтобы диффузор не подвергался деформациям во время работы. Для моделей, предназначенных для работы в автомобилях, часто используют вспененные пластмассы, как материал не гигроскопичный и обладающий достаточной жёсткостью. Для дорогих моделей выбор материала диффузора более широк, и определяется, в основном, «крутизной» разработчика. Вошло в моду изготовление диффузора из алюминия, нередко используются комбинированные материалы (сандвич).
Гофр — через него диффузор прикрепляется к раме — корпусу (диффузородержателю). Может формоваться вместе с диффузором в процессе его формовки, а может изготовляться отдельно из другого материала- латекса ,пенополиуретана. Главное- должен оказывать минимальное сопротивление перемещению диффузора во время работы. Часто бумажный гофр пропитывают специальными составами для большей гибкости и в то же время гасящими паразитные резонансные колебания. Обычно гофр приклеивается к диффузородержателю, но раньше встречались конструкции с креплением прижимным кольцом.
Магнитная система – создаёт магнитное поле, в котором перемещается катушка. Очевидно, что чем сильнее это поле, тем громче «орёт» динамик, поэтому конструкторы стремятся использовать высокоэффективные магнитные материалы. При ударах, самостоятельной разборке магнитной системы, высокой температуре – характеристки могут необратимо ухудшится. Иногда магнитная система сверху экранируется (например, для динамиков, встраиваемых в телевизоры и мониторы). Раньше встречались конструкции, где для усиления магнитного поля на магнитную систему наматывалась дополнительная катушка, питаемая от вспомогательного источника.
Керн – передаёт магнитное поле внутрь катушки, но не должен сам намагничиваться, поэтому изготавливается из магнитомягкого материала.
Каркас катушки — «носитель» катушки, изготовляется из тонкого прочного материала, не экранирующего магнитное поле и обладающего минимальной массой. В старых конструкциях — исключительно электрокартон, в новых — алюминий.
Звуковая катушка – к ней и подводится мощность, развиваемая усилителем. Активное сопротивление катушки (по постоянному току): от 2 Ом (для автомобильных динамиков); 4 — 6 — 8 Ом (наиболее распространены); 16 — 32 Ома (для экономичных или специальных целей).
Катушка чаще всего наматывается в два слоя обычным проводом в лаковой изоляции, но в особо мощных конструкциях провод может быть и прямоугольного сечения — для увеличения эффективного заполнения зазора. Катушка приклеивается к каркасу. При некачественной проклейке, или при перегрузке динамика часть витков может «болтаться» внутри и создавать звуковые эффекты, не относящиеся к категории высококачественного звуковоспроизведения. В прошлом веке радиолюбители самостоятельно перематывали звуковые катушки, тем более, что конструкция многих динамиков это позволяла.
Центрирующая шайба – назначение понятно из названия. Главное — не создавать помех перемещению звуковой катушки, и быть воздухопроницаемой, иначе внутри магнитной системы,где находится катушка, образуется замкнутый объём. Но о его вреде мы вспомним дальше, когда будем рассматривать акустическое оформление громкоговорителей. Материал шайбы — что-то вроде пропитанной марли — для ширпотреба, и что угодно — для эксклюзива.
Из-за повышенной влажности или других нехороших влияний может нарушаться центровка, дефект не устраним без разборки динамика. Проверить центровку можно,аккуратно нажимая на диффузор и прислушиваясь к звукам внутри- их быть не должно!
Выводы катушки — выполняются спецпроводом «мишурой» из перемешанных тонких медных и шёлковых нитей. Выводы не должны мешать перемещению диффузора. Из-за постоянных перемещений имеют склонность к обрывам около контактных пятачков, где припаиваются к выводам звуковой катушки. Хорошей альтернативой является провод МГТФ со снятой изоляцией. Слишком длинные выводы могут тереться об диффузор и создавать интересные звуки, придающие неповторимый колорит звучанию вашей акустики, но не ценимые другими слушателями.
Зазор – зазор между магнитной системой и керном, где перемещается звуковая катушка. Чем меньше зазор, тем выше в нём индуктивность, и тем выше эффективность работы динамика.
Предпринимались неоднократные попытки увеличить индуктивность без увеличения зазора путём введения туда магнитной жидкости. Но это приводило к увеличению сопротивления перемещению диффузора и повышению нижней границы воспроизводимых частот. Попадание в зазор мусора чревато искажениями звука, поэтому зазор обычно закрывают колпачком (на рисунке отсутствует). Заодно колпачок улучшает воспроизведение верхних звуковых частот.
Рама — она же каркас, она же диффузородержатель. В дешёвых конструкциях — из пластмассы, в ширпотребе — из штампованного листа, в более дорогих конструкциях — литьё из алюминиевых сплавов. Обычно в раме присутствуют «окна» для свободного перемещения воздуха, но в высокочастотных динамиках это не обязательно. Рама должна быть очень жёсткой, не резонировать, быть удобной при установке динамика в корпус и радовать взор счастливого обладателя девайса.
О характеристиках,непосредственно влияющих на звук, расскажем в следующей статье.
Мы рассмотрели общие вопросы конструкции динамиков, теперь рассмотрим некоторые экзотические конструкции.
Форма диффузора динамика — правильный круг, как самый технологичный элемент.
Эллиптические формы — только для уменьшения габаритов, и не имеют каких-либо достоинств. А японцы сподобились сделать даже квадратный, который очень красиво вписывается в прямоугольный корпус. Материал диффузора — тончайший срез берёзы, выдержанной в саке*****. Истинные гурманы, безусловно, по достоинству оценивают сей девайс.
НАСА (которая в USA) для испытания спускаемых аппаратов «Джемини» соорудило динамик более метра в диаметре с МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ. Впоследствии его передали дискотеке в Атланте. Звучание этого монстра потрясало до глубины души в прямом смысле этого слова.
Для высокочастотных динамиков (пищалок) диффузор как понятие практически отсутствует, звук воспроизводится сферическим колпачком, приклеенном к катушке. Для уменьшения массы колпачок делают из шёлка, иногда — из бериллия, наносят керамическое или даже алмазное напыление с целью получения прозрачного, как бриллиант, звучания.
Очень ограниченным тиражом выпускаются ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ излучатели звука, которые уже нельзя назвать динамиками. В них роль диффузора выполняет тонкая плёнка с напылённой фольгой, и всё это помещено в гигантский конденсатор, поляризуемый напряжением 1000 Вольт. Подобная конструкция не требует специального акустического оформления и прекрасно звучит на частотах выше 100 Гц.
У нас в стране производились ИЗОДИНАМИЧЕСКИЕ излучатели — тоже плёнка с напылёнными проводниками, но всё находится между двумя многополюсными магнитами. Идеальный излучатель частот свыше 5 кГц.
Пьезокерамические излучатели и динамики-экзотика распространённая (см. бумбоксы с двух-трёхполосными излучателями). Моему коту не доводилось слышать ни одного пьезоизлучателя, претендующего на Hi-Fi звуковоспроизведение . Все их можно отнести к категории Hi-Hi.
И самый экзотический излучатель — ионофон. Демонстрировался на всесоюзной выставке творчества радиолюбителей где-то в 50-х годах прошлого века. Поток ионов воздуха модулировался звуковой частотой. Качество звучания — выше всяких похвал. Недостатки — большие габариты и вредная ионизация воздуха. Похоже, заграница временами пытается возродить подобные излучатели, но в серию они не пойдут — обычные динамики гораздо проще и дешевле , а для улавливания разницы в звучании нужны тренированные уши. О комплексе упражнений, развивающих уши, намечается специальная статья.
Источник
Моторный динамик
Городу и Миру. Идея моторного динамика.
Берем диск полуметрового (или метрового – все размеры даны очень ориентировочно, это не чертеж, а идея, все конкретные цифры подсказаны исключительно интуицией и здравым смыслом) диаметра. Материал – дюраль толщиной 1мм. Это основа будущего диффузора. Весь сверлим дырками диаметром миллиметров 10 для облегчения. По периметру приклеиваем резиновый S-образный в разрезе подвес, как у всех нормальных динамиков (как его сделать – отдельная песня). Через маленькое отверстие в центре диска пропускаем стальной тросик диаметром пару миллиметров и закрепляем на диске. Растягиваем перпендикулярно плоскости диска. Он будет таскать диффузор туда-сюда. Отмечаем на тросике с обеих сторон точки, отстоящие от диска на величину его радиуса. В этих точках закрепляем по пучку стальных струн, штук по 50. Закрепляем эти струны на диске в разных точках по периметру и по плоскости, как стропы парашюта, только с обеих сторон, чтобы равномерно распределить усилия таскания на всю плоскость диска. Прикладываем с двух сторон половинки формы, хотя бы два тазика, пропустив тросики в отверстия, просверленные с центрах тазиков. Запениваем внутри строительно-монтажной пеной, удерживая тросики натянутыми перпендикулярно плоскости диска. Удаляем форму. Получилсь этакая двояковыпуклая линза с жестким каркасом внутри, в котором бОльшая часть элементов (в идеале бы – все) работает на растяжение – у такой конструкции наилучшее соотношение веса и прочности. Диффузор готов.
Теперь привод. Концы тросика закрепляем на шкивах диаметром миллиметров 100-200, и наматываем по паре витков. Шкивы через порошковые электромагнитные муфты (такие применялись на старых «Запорожцах» с ручным управлением) посажены на валы асинхронных электродвигателей мощностью 0,6-1 квт каждый, включенных так, чтобы вращались в противоположные стороны. Варим жесткий каркас, состоящий из кольца-фланца, в которое вклеивается резиновый подвес, двух площадок, на которых закрепляются двигатели и соединяющих все это дело кронштейнов. Закрепляем вышеперечисленные узлы. Элементы каркаса щедро облепляем виброизолом. Получившуюся конструкцию крепим ЗА ФЛАНЕЦ в корпусе типа Bandpass через виброизолирующую прокладку. Привод готов.
Теперь управление. Берем обычный усилитель с двуполярным питанием с двухтактным выходом на биполярных транзисторах с разомкнутой цепью ООС. Катушки электромагнитных муфт включаем последовательно с выходными транзисторами, одну с одним, другую с другим. Выход усилителя садим на землю. Теперь сначала включаем усилитель, потом раскручиваем двигатели (ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПУСКА ИМЕННО ТАКАЯ, НЕ НАОБОРОТ). Регулируем ток покоя – в нашей системе это выбор рабочей точки на кривой зависимости момента вращения, передаваемого муфтами, от тока через выходные транзисторы. Из-за несимметрии плеч усилителя и неодинаковости муфт усилия, тянущие диффузор в противоположные стороны, вряд ли окажутся равными, и диффузор поползет. Тем регулятором усилителя, которым устанавливается ноль на выходе усилителя, ОСТАНАВЛИВАЕМ диффузор. Только останавливаем, возвращать в среднее положение его будет датчик положения через цепь ОС. Осталось завести цепь ЭМОС с датчика ускорения, расположенного на диффузоре (никакие мостовые схемы тут, понятное дело, не подойдут). Для защиты системы от механического повреждения в случае пробоя одного из выходных транзисторов поставить еще два датчика положения наподобие концевых выключателей. Можно подавать сигнал на вход усилителя. Управление готово.
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ. Если у Вас возникло желание воскликнуть: «Это не будет работать!», прочитайте еще раз, потом попейте чаю (пива) и прочитайте еще раз. Если желание не исчезло, повторите процедуру с начала ))
НЕКОТОРЫЕ ПОЯСНЕНИЯ, вынесенные сюда из основного текста, чтобы не загромождать повествование и не затруднять восприятие идеи:
ПОРОШКОВЫЕ электромагнитные муфты – при малом токе управления могут передавать вращающий момент плавно, при большом – очень жестко. Точно не скажу, при каком токе, где-то 3-5 ампер при 12 вольтах, муфта от «Запорожца» передает с двигателя на коробку 30 л.с. при более чем достаточном для наших целей максимальном вращающем моменте. Не лязгает при срабатывании, имеет большой ресурс.
АСИНХРОННЫЕ двигатели имеют жесткую нагрузочную характеристику – при повышении нагрузочного момента до определенного разумного предела сохраняют частоту вращения. Впрочем, двигатели находятся вне петли ООС и от них мало что зависит, лишь бы хватало мощности. Шум от них невелик и из ящиков bandpass не будет слышен. Частота вращения, умноженная на длину окружности шкива, дает максимальную скорость, которую может развить диффузор, а значит – максимальную частоту. Максимальное ускорение, а значит и звуковое давление, зависит от массы ПОДВИЖНЫХ частей (диффузор, тросики, шкивы и связанные с ними полумуфты) – чем меньше, тем лучше; и от момента инерции ВРАЩАЮЩИХСЯ частей (роторов электродвигателей и тех полумуфт, которые связаны с валами) – чем больше, тем лучше.
Максимальное смещение диффузора зависит только от подвеса и запасов тросика на шкивах. Можно сделать хоть по 20 см в обе стороны.
ЦЕПЬ ООС по положению диффузора. Коэффициент усиления этой цепи будет приблизительным аналогом добротности обычного динамика. Увеличивая этот коэффициент, можно увеличить «добротность» нашего динамика от нуля до почти бесконечности, т.е. до генерации. Основное отличие – генерация возникнет не на резонансной частоте, резонансной частоты как таковой у нашего динамика нет, а на частоте, максимально достижимой системой и зависящей в основном от произведения длины окружности шкивов на частоту вращения двигателей.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ. Ну уж саб-то точно, а если удастся догнать максимальную частоту хотя бы до 100 гц, можно подумать и о НЧ-полосе основных колонок.
ДОСТОИНСТВА. Очень большой и, главное, ЛИНЕЙНЫЙ ход диффузора. КПД асинхронных двигателей, которые преобразуют электрическую энергию в механическую – 0,8. Даже с учетом всех потерь на трение при дальнейшем использовании этой механической энергии получается здорово. Акустическая мощность не ограничена мощностью схем управления. Отсутствие механического резонанса и связанных с ним горба импеданса и падения отдачи на низших частотах. Отсутствие отклика от динамика, попадающего через ООС на вход усилителя и портящего всем жизнь. Катушки управления муфт представляют собой индуктивность в чистом виде и особых хлопот не принесут.
Тропа эта, как мне кажется, нехоженая. Лично мне не удалось нигде в инете найти описания аналогов. Все упоминания о моторных динамиках очень смутные, и не ясно, не идет ли речь о простых кривошипно-шатунных механизмах для имитации землетрясения.
LICENSE AGREEMENT: Всякий, использующий эту идею в корыстных целях, выставляет автору пиво.
