Вопросы модернизации электродинамических головок

В статье описаны конструктивные особенности промышленных электродинамических головок, причины, вызывающие нелинейные, интермодуляционные, фазовые и частотные искажения, приведены предложения по модернизации основных элементов и узлов головок на рассмотрение и обсуждение специалистами и радиолюбителями, занимающимися конструированием акустических систем. В статье также дано описание основных физических процессов, происходящих в головках при воспроизведении звуковых сигналов, для привлечения к этому вопросу начинающих радиолюбителей. 


Претензии к конструкции и электромеханическим параметрам электродинамических головок, особенно работающих в низкочастотном (НЧ) диапазоне звуковых частот, остаются по сей день. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации ведущих специалистов по акустике. «Несмотря на длительный период развития техники громкоговорителей и большое количество работ, посвященных анализу физических явлений и методов расчета различных линейных и нелинейных процессов, происходящих в элементах подвижной системы и магнитной цепи, имеется еще много проблем, требующих… своего решения...» [1]. В статье будут приведены предложения автора по модернизации основных элементов и узлов электродинамической головки, позволяющие улучшить ее технико-экономические параметры. Также хочется попросить радиолюбителей, среди которых много талантливых технически грамотных специалистов, принять участие в обсуждении и решении вопросов, касающихся высококачественных электродинамических головок для акустических систем (АС), относящихся к категории Hi-Fi. Чтобы суть поставленной задачи была понятна и начинающим и опытным радиолюбителям, полезно коротко обратиться к истории возникновения электродинамической головки (громкоговорителя) и охарактеризовать ее основные конструктивные недостатки и причины, создающие нелинейные, частотные, фазовые искажения и технологические издержки. 

Электродинамическая головка с коническим диффузором была запатентована в 1877 г., в 1909 г. запатентована центрирующая шайба, в 1923 г. были запатентованы фланцы из магнитно-мягкой стали для магнитной системы и гофрированный подвес диффузора. В 1925-1926 гг. были описаны основные узлы и принцип устройства электродинамического громкоговорителя промышленного типа в патентах Великобритании, после чего была создана первая промышленная модель громкоговорителя. Несмотря на то, что в последующие периоды появилось множество патентов по совершенствованию громкоговорителей, принцип его устройства остался неизменным со всеми характерными недостатками до настоящего времени [1]. Традиционная конструкция электродинамической головки показана на рис.1. АС с современными динамическими головками удовлетворяют многих потребителей, но качество их звучания отличается от «живого» звука, причины чего приведены ниже. 

Учитывая, что наибольшие амплитуды колебаний диффузора и подводимая мощность необходимы для воспроизведения звуковых сигналов в диапазоне низших частот, где максимально проявляются недостатки традиционной конструкции электродинамической головки в части минимизации нелинейных, частотных и фазовых искажений, статья будет посвящена только низкочастотным головкам, в которых колебания диффузора носят поршневой характер. 

Если длина звуковой катушки будет равна длине воздушного магнитного зазора, то при увеличении напряжения сигнала звуковая катушка будет выходить из магнитного зазора, и чем больше, тем меньше будет оставаться витков в магнитном поле и тем больше будет несоответствие увеличения силы, воздействующей на диффузор звуковой катушкой, увеличению электрического сигнала. 

Движущая сила, действующая на катушку: 

F = В I L, 

где: 

В  — индукция магнитного поля в зазоре; 
I  — ток звуковой катушки; 
L  — длина части провода катушки, находящейся в магнитном поле воздушного магнитного зазора. 

Из этой зависимости видно, что при увеличении тока сигнала уменьшается часть провода в зазоре. В результате увеличение движущей силы F не соответствует увеличению тока сигнала в катушке, что порождает искажения излучаемых звуковых сигналов, которые называются нелинейными. Если в низкочастотном сигнале присутствует сигнал более высокой звуковой частоты даже небольшой амплитуды, то уменьшение движущей силы, вызванное низкочастотным сигналом, уменьшит и излучение высокочастотного звукового сигнала, что является не чем иным, как амплитудной модуляцией высокой частоты низкой. При такой модуляции возникают две боковые частоты: f ±f, т.е. в звуковом сигнале появляются частоты, которых нет в электрическом сигнале. Такие искажения называются интермодуляционными. Нелинейные искажения динамических головок также вызываются асимметричным и неравномерным распределением магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы, нелинейностью гибкостей подвеса диффузора и центрирующей шайбы.   

На амплитудно-частотные и фазовые искажения в низкочастотном (поршневом) диапазоне, в основном оказывают влияние параметры подвесов, упругость и масса диффузора, параметры магнитных систем, резонансные и переходные процессы подвижных систем динамических головок. 

Для обеспечения большой амплитуды колебаний диффузора с допустимым уровнем нелинейных искажений есть два варианта. 

В первом варианте длина звуковой катушки должна быть больше длины воздушного зазора магнитной системы, что характерно для серийно выпускаемых динамических головок. 

Во втором варианте длина воздушного магнитного зазора должна быть больше длины звуковой катушки. В первом варианте легко заметить, что работу по перемещению диффузора совершают только те витки, которые находятся в магнитном поле, а остальные бездействуют при потреблении такого же тока. Естественно, это снижает КПД головки. В современных условиях с этим можно смириться для получения необходимого уровня воспроизведения низших частот звуковых сигналов путем увеличения мощности УМЗЧ. Одним из препятствий для достоверного воспроизведения звуковых сигналов является асимметрия и неоднородность магнитного поля в воздушном магнитном зазоре (рис.2), которые характерны для первого варианта. Асимметрия магнитного поля порождает вторую гармонику, а неоднородность — третью гармонику, т.е. нелинейные искажения [2]. В коротком воздушном зазоре избавиться от асимметрии и неоднородности магнитного поля практически невозможно, так как сечение магнитопровода (цилиндрические сечения верхней шайбы), перпендикулярное силовым линиям, недостаточно для подвода всего магнитного потока к зазору, кроме того, оно уменьшается на пути к нему. Чем ближе к зазору, тем больше силовых линий замыкается между полюсами по воздуху, а различие условий для этого снаружи и внутри магнитной системы создает неизбежную асимметрию магнитного поля, взаимодействующего со звуковой катушкой головки. Выходом из этого положения для высококачественных АС пока что является сдваивание таких головок по типу «диффузор к диффузору» [4].  

Во втором варианте в магнитном зазоре по всей рабочей длине магнитное поле будет симметричным и равномерным, но его магнитная индукция будет обратно пропорциональна увеличению площади боковой поверхности воздушного зазора. Если в этом варианте все витки звуковой катушки будут работать при воспроизведении звуковых сигналов с максимальной амплитудой, не выходя из воздушного магнитного зазора, то вторая и третья гармоники будут минимальными. В этом случае будут работать только те силовые линии магнитного поля в зазоре, которые пересекают витки звуковой катушки. Остальные силовые линии будут бездействовать, но они не требуют затрат электроэнергии, а следовательно, если магнитную систему снабдить магнитом, способным создать магнитную индукцию в зазоре аналогичную первому варианту, то КПД такой головки будет максимальным. Естественно, его масса будет увеличена пропорционально увеличению боковой поверхности воздушного зазора, что увеличит габариты и стоимость магнитной системы.  

В этом варианте необходимо оценить, насколько увеличится стоимость головки и какой суммарный эффект получится в комплексе с уменьшением нелинейных искажений и потребляемой мощности головкой, с учетом времени эксплуатации, что очень важно для акустических систем большой мощности. Необходимо также иметь в виду, что в настоящее время выпускаются магниты с большой коэрцитивной силой, существенно превосходящие применяемые в большинстве головок ферритовые магниты. Например, неодимовые магниты (NdFeB) имеют низкую стоимость и по своим свойствам превосходят даже редкоземельные самарий-ко-бальтовые магниты (SmCo). Применение таких магнитов в электродинамических головках может решить вопрос снижения нелинейных искажений и повышения их КПД в этом варианте. Возможно, здесь будет полезно увеличить диаметр звуковой катушки, что при том же количестве провода уменьшит ее длину и увеличит амплитуду колебаний, не выходя катушки за пределы равномерного магнитного поля воздушного зазора. 

Кроме указанных выше причин, нелинейные искажения порождаются асимметрией воздействия на воздушную среду передней и задней частями диффузора из-за его конической формы, а также наличие гибких выводов звуковой катушки, которые хаотически колеблются и резонируют на собственных частотах, внося свою долю в искажение звуковых сигналов. К тому же эти выводы являются самыми ненадежными элементами динамической головки, несмотря на то, что они выполняются из специальных многожильных гибких проводов. Освоение выпуска динамических головок с плоскими диффузорами устраняет недостатки, характерные для конических диффузоров, но применение таких головок в АС пока незначительное. Приведенные аргументы показывают, какие основные элементы и узлы необходимо модернизировать, чтобы получить оптимальную и технологичную конструкцию электродинамической головки. 

В первую очередь проанализируем наиболее распространенные конструкции магнитных систем, от которых существенно зависят основные параметры электродинамических головок, такие как мощность, нелинейные и интермодуляционные искажения, КПД и поле рассеивания магнитного поля. В серийном производстве головок применяются магнитные системы двух типов: кольцевые и керновые, отличающиеся формой и местом расположения магнитов. Общим технико-эконо-мическим недостатком обеих магнитных систем является наличие в них большого количества магнитопровода из магнитно-мягкой стали. Он является пассивным элементом с соответствующим магнитным сопротивлением, создающим потери энергии в магнитной цепи на пути следования ее к воздушному зазору, и требует существенных затрат на его приобретение и обработку. 

Кольцевая магнитная система состоит из кольцевого магнита и магнитопроводов из магнитно-мягкой стали в виде двух плоских фланцев и цилиндрического керна (рис.3). Нижний фланец представляет собой шайбу, на которой закреплен керн. Верхний фланец представляет собой плоское кольцо, внутреннее отверстие которого совместно с керном образует воздушный магнитный зазор для звуковой катушки головки. В серийно выпускаемых головках используются анизотропные ферритовые магниты. В целях экономии листовой магнитно-мягкой стали верхний и нижний фланцы выполняют с внешним диаметром меньшим, чем диаметр магнита и тоньше, чем это требуется для передачи всей энергии магнита к воздушному зазору. Как известно, силовые магнитные линии внутри анизотропного магнита прямолинейны и не могут искривляться и направляться в магнитопровод из той части магнита, которая не покрывается фланцами. Эти силовые магнитные линии частично по воздуху с большими потерями попадают в магнитопровод магнитной системы, а остальные также по воздуху замыкают полюса магнита и рассеиваются во внешнем пространстве (рис.4), негативно влияя на магнитно-чувствительные электронные узлы аппаратуры. Для полной передач энергии магнита в воздушный зазор сечение магнитопровода на протяжении всей магнитной цепи от магнита до воздушного зазора.должно быть оптимальным и постоянным, что зачастую не соблюдается. Например, у динамической головки типа TS-G1030 фирмы PIONEER диаметр керна 26 мм (SK=531 мм2), толщина нижнего фланца 3 мм (поперечное сечение фланца возле керна Эф=245 мм2). Из этого следует: либо диаметр керна завышен, что маловероятно, судя по большому полю рассеивания магнитной системы, либо толщина фланца занижена. Наружный диаметр магнита 60 мм, а нижнего и верхнего фланцев — 55 мм. Такие нарушения построения магнитных систем характерны для большинства серийно выпускаемых головок и приводят к тому, что магнитная энергия дорогостоящих магнитов используется неполностью.  

Для улучшения технико-экономических параметров магнитных систем предлагаются следующие варианты: 

1. Из одной половины магнитного материала, который используется для кольцевого магнита традиционной магнитной системы, изготовить кольцевой магнит меньшего диаметра, а из второй половины изготовить керновой магнит, который закрепить на нижнем фланце. Высота обоих анизотропных магнитов должна быть одинаковой. Воздушный магнитный зазор создать из кольцевого верхнего фланца и такой же толщины круга из магнитно-мягкого материала, которые закрепляются на кольцевом и керновом магнитах соответственно (рис.5). 

В этом варианте магнитные материалы могут намагничиваться до или после сборки магнитной системы. В результате получается магнитная система с той же магнитной энергией, но с меньшими размерами и затратами магнитно-мягкой стали на фланцы и керн.  

2. Из соответствующего изотропного магнитного материала изготовить магнитную систему, в которой только верхний фланец будет из магнитно-мягкого материала. Магнитный зазор создать аналогично первому варианту. Поперечные сечения, перпендикулярные магнитным силовым линиям внутри магнита, на протяжении всей магнитной цепи должны быть максимально одинаковыми, с учетом технологических уклонов пресс-формы (рис.6). В этом варианте затраты магнитно-мягкой стали будут снижены в два раза по сравнению с первым вариантом, благодаря наличию только верхнего фланца. 

3. Магнитная система может быть тороидальной формы, полностью изготовленной из изотропного магнитного материала и состоять из двух частей, стыкующихся с помощью простого замка и удерживающихся собственным магнитным полем (рис.7).

Каждая часть магнитной системы должна намагничиваться отдельно и так, чтобы после сборки силовые магнитные линии были направлены в воздушный зазор, или в собранном виде, поместив катушку намагничивания внутрь магнитной системы и замкнув воздушный зазор технологическим магнитопроводом. Для крепления такой магнитной системы кдиффузородержателю необходим пластмассовый колпак соответствующей формы. Для центровки магнитной системы при установке на диффузородержатель в ее верхней части предусмотрено посадочное место. Данная магнитная система предназначена для короткой звуковой катушки, но при изменении конфигурации полюсов и применения полюсных наконечников соответствующей формы из магнитно-мягкой стали она может применяться и в головках с длинными звуковыми катушками. Затраты магнитно-мягкой стали и потери магнитной энергии в этом варианте будут сведены к минимуму.

Литература 
1. Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители // Радио и связь. — 1989. 
2. Алдошина И.А. и Войшвилло А.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели // Радио и связь. — 1985. 
3. Зызюк А.Г О ремонте громкоговорителей и акустических систем // Радиоаматор. — 2009. — № 10. 
4. Журенков А.Н. Особенности конструирования АС со сдвоенными динамическими головками // Радиоаматор. — 2009. — №10. 
5. Романова Т.П. и др. Электродинамические головки громкоговорителей с плоскими диафрагмами//Радио. — 1998. — №8. 

(Продолжение следует)