ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГОЛОВКИ

Комплектующие, радиокомпоненты / Радиодетали / Акустика
Administrator
800
18-03-2017, 14:37
0

Принцип работы динамической головки будет наиболее понятен, если головку собрать с самого начала, ПО ПОРЯДКУ.
Для этого потребуется кольцевой магнит с полюсами, расположенными с плоской стороны кольца:

Магнитное поле в таком магните будет распологаться следующим образом:

Теперь с задней стороны закроем магнит стальным, магнитомягким листом, круглой формы и диаметром равным, диаметру магнита

Магнитное поле уже не будет излучаться в окружающую среду, а пойдет по стальному листу, который теперь выступает в роли магнитопровода:

Таким же листом закроем магнит с передней части, только в этом листе должно быть отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру магнита:

Магнитное поле и с этой стороны замыкается, но магнитные линии внутри магнита нужно распередедить более равномерно, поэтому внуть вставим стальной цилиндр. Диаметр цилиндра должен быть меньше внутреннего диаметра магнита, причем разница в диаметрах зависит от конструктива используемой магнитной катушки. Введение цилиндра так же способствует концентрации магнитного в получившимся зазоре, покольку разрывает магнитопровод:

Далее в зазор помещается катушка индуктивности, причем величина на которую катушка уходит внутрь магнитного зазора равна половине высоты катушки, т.е. катушка погружается ровно на половину своей высоты. Такое расоложение катушки необходимо для обеспечения одинакового хода катушки как внутрь магнитной ситемы, так и наружу:

Теперь, если к катушке подключить источник напряжения, то катушка будет выталкиваться. если ее магнитное поле будет одной полярности с магнитным полем магнита:

или втягиваться, если ее магнитное поле будет противоположным магнитному полю магнита:

Теперь закрепим катушку на жектском цилиндре, а его соединим с бумажным конусом:

При движении катушки в магнитном зазоре это движение будет передавать конусу и тот будет вызывать механическое движение воздуха, т.е. появится звук. Конус называется дифузором и может быть выполнен не только из бумаги, но об этом несколько позже.
Катушка по сути ничем не закреплена, следовательно она может ударяться и о магнит и о стальной цилиндр, находящийся внутри магните и именуемый керном. Для того, чтобы исключить эту неприятность катушку фиксируют в простренсте при помощи центрирующей шайбы - спайдера, а с широкой стороны конуса, по периметру крепится дифузородержатель:

И магнит, и дифузор крепятся к корзине - магнит либо приклеевается, либо прикручивается винтами. Диффузор приклеивается, точнее не диффузор, а диффузородержатель и спайдер:

Со стороны диффузора остается отверстие и его нужно закрыть, чтобы избежать попадания внутрь пыли и мелкого мусора:

Для этого используется защитный колпачок. Однако эта технологическая деталь выполняет еще одну функцию - она отвечает за воспроизведение высокочастотной составляющей звукового сигнала. Причина такого разделения труда чисто механическая. Для воспроизведения ВЧ сигнала необходима небольшая амплитуда, но слишном быстрое возвратно-поступательное движение дифузора. Если дифузор будет слишком тонким, значит он будет легким и решение воспроизведения вроде бы обеспечено. Однако если дифузор будет тонким он будет слишком мягким и не сможет полноценно воспроизводить НЧ составляющую, где необходимо использование всей площади дифузора. Дифузор попросту будет гнуться в середине:

Поэтому производители идут на различные компромисы - сами дифузоры могут состоять из нескольких компонентов, например на пропитанную бумагу напыляется алюминий, а защитный колпачок делается из более жесткого материала, его форма изготавливается таким образом, чтобы обеспечить максимальную отдачу на ВЧ. В данном примере бумажный дифузор оснащен пластиковым, металлизированным защитным колпачком:

Иногда, чтобы еще больше усилить отдачу динамической головки на ВЧ используют защитные колпачки в виде рупора, выполненного из бумаги, но пропитанного более жесткой пропиткой и высушенного под бОльшим давлением:

Осталось подключить катушку дифузора к клеммам, и делается это многожильным, мишурным проводом, устойчивым к многократным перегибам:

Обычно вывода катушки тянутся по диффузору примерно до середины его диаметра и запаиваются в специально заштампованные в диффузор клеммы-заклепки. К этим клемма и подпаивается один конец мишурного провода, а второй подпаивается к установленной на корзине клеммной колодке. К колдке подпаиваются, или подключаются через специальные самозажимные клеммы провода, идущие на клеммы, установленные на корпусе АС.

Динамические головки работающие во всем диапазоне звуковых частот называются широкополосными и при их производстве приходится решать множество проблем, позволяющих действительно получить более-менее линейную АЧХ. Однако есть еще один вариант решения проблемы воспроизведения всего звукового диапазона - использование нескольких динамических головок:

Каждая динамическая головка предназначена для воспроизведения только своего частотного диапазона, а акустические системы, использующие такие головки называются многополосными. Большие динамические головки в таких системах отвечают за воспроизведение НЧ и СЧ диапазона, их паспортная мощность значительно превышает мощность маленьких головок, отвечающих за воспроизведение СЧ и ВЧ диапазона. Разделение сигнала, подаваемого на головки призводится либо пассивными фильтрами, устанавливаемыми внутри акустической системы, либо фильтры ставятся до усилителей мощности, но в этом случае требуются бОльшие затраты, поскольку для каждой динамической головки требуется свой усилитель. Разумеется, что у каждого из способов есть свои плюсы и свои минусы.
При использовании пассивных фильтров возникают проблемы согласовани динамиков по фазе, но общий комплект получается значительно проще и дешевле. При использовании отдельных усилителей для каждого диапазона с фазировкой проблемы решаются проще, но довольно ощутимо возрастает стоимость комплекса.
Ну теперь принцип работы динамической головки должен быть понятен полностью - при подаче переменного напряжения с усилителя мощности катушка то втягивается, то выталкивается из магнитного зазора, а поскольку она жестко соединена с дифузором, то он повторяет все ее движения вызывая движение воздуха с той же частотой, что и подаваемое с усилителя напряжение:

Осталось выяснить лишь некоторые нюансы, которые лишь на первый взгляд кажутся второстепенными.
Прежде всего следует поговорить о "полостности" акустических систем.существует мнение и оно довольно популярно среди начинающим паяльщиков и рядовых обывателей, что чем больше полос на акустической системе, тем лучше.
Из вышенного сказанного следует, что прежде всего частотный диапазон зависит от материала дифузора, а так же ситемы его крепления, следовательно, если производитель не стал беспокоится о закупке хорошего сырья для изготовления дифузоров, а пошел по пути разрезания звукового диапазона на 4-5 частей, то уже можно смело говорить о том, что сырье для акустической ситемы было собрано уж если не на мусорке, то совсем не далеко от нее. Главная проблема многополосных акустических систем (АС) это соблюдение фазы звукового сигнала, а для этого уже требуется не примитивный набор конденсаторов, который обычно йстанавливается в подобных многополосных АС, а серьезный набор фильтров с множеством катушек индуктивностей и конедесаторов. В результате получается звуковая каша с совсем низкой дитализацией, поскольку довольно часто получается, что дифузоры двух соседних дианазонов работают в противофазе, чем обеспечивают коверканье не только фазовых характеристик АС, но и провалы на частотных.
Наиболее оптимально разделение звукового диапазона на 2-3 полосы. В первом случа большая динамическая головка воспроизводит НЧ-СЧ, т.е. от 20 Гц до 6...8 кГц, а маленькая динамическая головка воспроизводит только ВЧ, т.е. от 6...8 кГц до 20 кГц. На каком участке звукового диапазона делать деление определяет уже производитель и отталкивается от того насколько высокочастотный сигнал способна воспроизводить бОльшая динамическая головка. При разделении звукового диапазона на 3 части бОльшая головка воспроизводит только НЧ сигнал, среднаяя - среднюю частоту, а самая маленькая, именуемая часто пищалкой - высокую частоту. Разделение частотного диапазона так же остается за производителем.

Однако, для орентирования какой динамик какой частотный диапазон воспроизводит используется следующее делениезвукового диапазона:
20-40Гц – нижний бас 40-80Гц – бас
80-160Гц – верхний бас
160-320Гц – нижний мидбас
320-640Гц – мидбас
640-1.280Гц – верхний мидбас
1.28-2.56кГц – нижняя середина
2.56-5.12кГц – середина
5.12-10.24кГц – верхняя середина
10.24-20.48кГц - верх
Кроме частотного диапазона у динамической головки есть еще один не маловажный параметр - чувствительность, которая выражается в дБ. Зависит этот параметр так же от используемых технологий, в частности от массы дифузора, жесткости центрирующей шайбы и дифузородержателя, а так же магнитной силы самого магнита.
Масса дифузора зависит от используемого для его изготовления материала, который должен обеспечивать достаточную жесткость и в тоже время весить как можно меньше. Решая эту проблему производители идут на всевозможные ухищрения - и кивларовые покрытия, и карбон, и напыление алюминия. Так же используются всевозможные материалы для центрирующей шайбы и дифузородержателя - всевозможные резины, дермантины, пропитанные паралоны. Однако как бы там ни было у динамиков с большой чувствительностью всегда будет бОльшая цена, поскольку для их изготовления требуются дорогие материалы и при подачи одной и той же мощности они будут звучать громче.
Тоже самое касается и магнитной системы - большой магнит это совсем не показатель качества, ведь намагнитить можно и гайку от колеса паравоза, однако полноценным магнитом она не станет. Для примера возьмем неодимовые магниты - при небольших габаритах они обеспечивают магнитный поток, который измеряется десятками киллограмм. Сила магнитов для акустических систем измеряется в граммах, но это не значит, что сам магнит именно столько весит. Если совсем упростить процедуру измерения магнитной силы, то магнит "клеится" к ровному стальному листу, а затем бизменом отрывается. Сколько кг покажет бизмен в момент отрыва - такая магнитная сила у магнита. Однако этот параметр на динамических головках указывается крайне редко - все выводы о чувствительности делаются из указанного параметра в дБ.

Наиболее ярким примером заблуждений на этот счет служит высказывание рядовых потребителей о том, что некоторые колонки, даже известных производителей "запирают", т.е. на максимальной громкости имеют место быть ярковыраженные искажения, поэтому покупая автомобильный магнитофон серьезного производителя они покупают к магнитофону акустику типа "Домотек", "Евротек" или еще какой нибудь "Г@внотек" с пластмассовым дифузором и дифузородержателем, сделанным из отходов сапожно-галошной фабрики. Эти колонки не "запирают", да они и не могут "запирать" - при чувствительности в 65-70 дБ они не способны воспроизвести резкоменящийся сигнал, который возникает при клиппинге - когда расчетная величина выходного напряжения выше напряжения питания. Они не способны даже на среднюю детализацию музыкального фрагмента, не говоря уже о возможности полноценно отыграть загоняемые в них 14...16 Вт.
С другой стороны мало кто отдает отчет о том, что максимальный сигнал на выходе автомобильных магнитофонов и ресиверов достигается при среднем положении регуляторов тембра. Стоит повысить уровень НЧ на 6 дБ, т.е. в 2 раза, как на 3/4 от максимальной громкости уже появятся ярковыраженные искажения - это клиппинг, т.е. амплитуда сигнала получается больше напряжения питания. Более подробно о клиппинге и загадочных дБ несколько позже.
Иногда производитель, не имея возможности приобрести более сильные магниты, но имея желание получить хорошую чувствительность применяет склеивание магнитов и это говорит лишь о честности производителя, но ни как о его халтуре:

Не маловажным технологическим приемом является использование различных материалов и технологий для изготовления корзины. Наиболее популярными являются литые и штампованные корзины. Разумеется, что наиболее жесткими являются конструкции из литого под давлением алюминиевого сплава и для мощных динамических головок это довольно актуально - нужно не только толкать тяжелый дифузор, но еще и гасить инерционные силы, которые неизбежно возникают при движении дифузора, поэтому литые корзины предпочтительней:

Однако сказать, что динамические головки с штампованной корзиной ни на что не пригодны тоже будет не верно - среди них есть и весьма шикарные представители своего класса:

Динамические головки для СЧ и ВЧ диапазонов тоже довольно разнообразны. Так же могут использовать и штампованные, и литые корзины, а могут быть и заключены в рупор - для большей отдачи:

Остается упомянуть еще об одной технологической хитрости - чтобы улучшить связку магнитных потоков между магнитом и катушкой увеличивают диаметр катушки, о чем производитель не забудет упомянуть.
Зачастую, чтобы облегчить вес катушки используют более тонкий провод, что приводит к нагреву катушки. Чтобы исключить ее перегрев в керне делают специальное вентиляционное отверстие, позволяющее свободно циркулировать воздуху внутри магнитной системы и охлаждать катушку:

Осталось рассмотреть только собственный голос динамической головки. Нет, это не опечатка - у каждого динамика есть свой собственный голос. Дело в том, что дифузор не может мгновенно переместится из одной точки в другую и там остановится - не даст инерция. Следовательно эта самая инерция будет влиять и на звук, поскольку звук формирует дифузор. Для примера подадим на катушку постоянное напряжение, дифузор переместится на определенное расстояние, определяемое поданным напряжением. Теперь, если резко снять прилагаемое напряжение, то дифузор начнет стремится к своему первоначальному состоянию, но проскочив его по инерции сделает небольшой ход в противоположном направлении, и снова предпримет попытку вернуться на первоначальное положение, но опять, по инерции "проскочит" его, конечно же на гораздо меньшее расстояние, но проскочит. Таким образом при резком снятии напряжения возникает некоторый колебательный процесс, который собственно можно назвать персональным голосом динамической головки. Частота, на которой будут происходить колебательные процессы является частотой собственного резонанса динамической головки, а скорость затухания этих колебаний называют "водопадом":

Так же инерция влияет на фазовые характеристики динамической головки - если дифузор слишком тяжелый, то фаза будет отставать. Поэтому для самостоятельного изготовления лучше выбирать АС либо с широкополосными динамиками, либо на 2 полосы, ну в крайнем случае на 3, и уж ни в коем случае на 4 - шансы на удачный подбор динамических головок по всем параметрам для всех полос снижаются в геометрической прогрессии.
Инерция так может сослужить другую медвежью услугу при использовании корректора Линквица - делая большой выброс на частоте резонанса НЧ динамиков всегда есть шанс получить проблему. Катушка получает слишком большую амплитуду и ударяется о магнитную систему. На слух это можно сразу не услышать, а вот разбить катушку можно буквально за 10-15 минут и как следствие - клин дифузора.
Мощность акустической ситемы это показатель мощности, при превышении которой есть шанс вывести АС из строя, но ни как показатель мощности как таковой, означающий, что подавая на АС 2 вольта переменного напряжения Вы получите 200 Вт на АС расчитанной на 200 Вт. Мощность АС должна быть выше мощности усилителя на 20-25%, чтобы обеспечить запас на пик фактор и не выйти из строя в случае возникновения клиппинга.
При использовании слишком мощных АС и слабого усилителя отдача АС довольно заметно снижается, поскольку для мощных динамических головок используются очень жесткие материалы, а вес диффузора достаточно велик. В результате динамик делает вид, что он что то воспроизводит, поэтому перед началом строительства комплекса лучше еще несколько раз подумать какую мощность Вам все таки нужно.
Довольно часто возникает вопрос - какие динамические головки выбрать - автомобильные или для стационара. Ответ на этот вопрос кроется в самом названии динамических головок - АВТОМОБИЛЬНЫЕ, т.е. для автомобиля, имеющие повышенную влагостойкость, пылезащищенность, более низкую чувствительность, чтобы обеспечить малую реакцию дифузора на дрожание кузова автомобиля, несущегося по дороге. И уж не сомневайтесь - производитель не забудет за все эти дополнения взять деньги. С другой стороны - автомобильные динамики гораздо доступней. Поэтому следует соизмерить транспортные расходы на покупку более дешевых динамиков для стационарной АС и имеющихся в продаже, через дорогу, автомобильных. Было бы не справдливо умолчать еще об одном нюансе - для увеличения звукового давления динамические головки для стационарной АС конструктивно выполняются с большим дифузором. В автомобиле габариты ограничены, поэтому для создания точно такого же звукового давления увеличивается амплитуда хода диффузора. Поэтому, при выборе динамических головок следует давать поравку на габариты акустической системы, а так же на то, как часто планируется выносить ее на улицу.

Напоследок еще небольшая напоминалка - если есть возможность потратить несколько бОльшую сумму на акустическую систему, то основной упор лучше сделать на качество АС, а не на максимальную мощность - все равно громче этого вряд ли получится: