8.4: Гучномовці

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30891

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Однією з найбільш поширених навантажень для підсилювачів є гучномовець. Тоді має сенс подивитися на те, як вони побудовані, і відзначити щось цікаве або своєрідне, що стосується їх електричних характеристик. Найпоширенішою формою гучномовця є динамічний гучномовець ¹. Всі динамічні гучномовці мають певні загальні елементи незалежно від розміру або можливості акустичного виходу. Вирізаний вигляд низькочастотного драйвера показаний на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Динамічний гучномовець. A. кадр B Підвіска C. свинцевий дріт D. павук E. магніт F. діафрагма G. звукова котушка колишній H. звукова котушка I. Пилозахисний

Ідея його роботи полягає в магнітному відштовхуванні та тяжінні. Серцем агрегату є звукова котушка (H). Це котушка магнітного дроту, намотана навколо колишнього (G), який, як правило, виготовлений з алюмінію або будь-якого іншого високотемпературного матеріалу. Звукова котушка може бути одним шаром кромочного стрічкового дроту або, можливо, декількома шарами звичайного круглого дроту. Залежно від конструкції, звукова котушка може бути десь від частки дюйма до декількох дюймів в діаметрі. Кінці котушки з'єднані з гнучкими провідними проводами (С), які закінчуються на рамці гучномовця (А). В кінцевому рахунку, ось до чого буде підключатися підсилювач.

Звукова котушка закріплена на діафрагмі (F) і вільно підвішена зовнішнім краєм підвіски (B) та внутрішнім елементом, відомим як павук (D). Звукова котушка сидить у сильному магнітному полі, яке створюється потужним постійним магнітом (E), який зазвичай використовує керамічну, альніко-або рідкоземельну конструкцію. Коли струм від підсилювача протікає через котушку, він створить власне магнітне поле, яке буде або допомагати, або протистояти фіксованому полю, створеному постійним магнітом, залежно від напрямку струму. Це призводить до сили, яка змушує котушку рухатися в межах фіксованого поля. У міру руху котушки діафрагма рухається разом з нею, натискаючи на навколишнє повітря і створюючи звук. Чим більше струм, тим сильніше новостворене поле і тим більше в результаті допомоги або протистояння, що призводить до більшого руху діафрагми і більшого звукового тиску. Цей фундаментальний дизайн мало змінився з моменту його винаходу в 1920-х роках. Сучасні магніти, підвіска і мембранні матеріали значно покращилися в проміжні роки, але принцип роботи майже однаковий.

Дуже важко створити драйвер, який може охоплювати повний спектр звуку від 20 Гц до 20 кГц при досягненні достатньої гучності прослуховування при низьких спотвореннях. Отже, драйвери часто призначені для покриття обмеженої частини звукового спектра. Низькочастотні драйвери зазвичай називають динаміками, тоді як високочастотні драйвери називаються твітерами. Драйвери, що охоплюють середній діапазон частот, отримують вельми винахідливу назву midranges (хоча колись їх називали сквокери). Комбінація цих пристроїв буде проводитися разом з іншими компонентами для створення повноцінної домашньої або автоматичної гучномовної системи. Хоча можуть бути виготовлені дуже якісні системи, практично всі динамічні гучномовці прямого випромінювання страждають від низької ефективності перетворення. Для типової споживчої системи лише близько 1% до 2% застосовуваної електричної потужності перетворюється на корисну акустичну вихідну потужність. Переважна більшість застосовуваної потужності просто робить звукову котушку гарячою.

8.4.1: Імпеданс гучномовця

Гучномовцям дається номінальне значення імпедансу. Найпоширеніший імпеданс для домашнього використання - 8,\(\Omega\) тоді як 4\(\Omega\) поширений в автомобільних системах. Важливо пам'ятати, що це номінал і справжнє значення змінюється з частотою. Хоча прийнято тестувати підсилювачі потужності з резисторами великої потужності, вони є лише грубим наближенням реального гучномовця.

Електричні та механічні характеристики гучномовця поєднуються для створення еквівалентної схеми з резистивними, індуктивними та ємнісними елементами. Типова електрична схема моделі ² одного драйвера гучномовця показана на малюнку\(\PageIndex{2}\). \(R_{VC}\)і\(L_{VC}\) є опір і індуктивність звукової котушки відповідно. Інші компоненти - це електричні еквіваленти механічних властивостей, таких як втрати суспензії.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Динамічна електрична модель гучномовця.

Зрозуміло, що це не простий\(\Omega\) резистор 8. Насправді ми бачимо дуже складний імпеданс: три паралельні елементи створять резонансний пік, а серійна індуктивність призведе до зростання імпедансу з частотою. Як правило, резонансний пік виникає на нижньому кінці спектра, а пов'язана резонансна частота позначається на аркуші специфікації як\(f_S\) резонанс вільного повітря. Для номінального 8\(\Omega\) НЧ-динаміка піковий опір може бути більше 30\(\Omega\). Приклад графіка імпедансу гучномовця показаний на малюнку\(\PageIndex{3}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Динамічний графік імпедансу гучномовця. Надано Дейтон Аудіо.

Цей гучномовець є номінальною\(\Omega\) одиницею 8, але імпеданс може бути у багато разів це значення, а на деяких частотах - менше 7\(\Omega\). Цей сюжет також включає фазовий кут гучномовця, і ми бачимо, що він може бути вгору на 40\(^{\circ}\) ємнісних або індуктивних, залежно від частоти. Що робить це більш цікавим, так це те, що система гучномовців споживачів - це комбінація декількох драйверів та інших електричних компонентів, і це може призвести до ще більш складного імпедансу.

Очевидне питання: «Чи впливає це на аналіз підсилювача потужності?» Проста відповідь: «Так». Області спектра, де величина імпедансу опускається нижче номінального значення, вимагатимуть більшого струму для будь-якої заданої напруги навантаження. Далі, зсув фаз, викликаний частково реактивним навантаженням, вплине на розсіювання потужності транзистора.

Розглянемо графік потужності, показаний на малюнку 8.3.6 для чисто резистивного навантаження. Якщо ми повторимо сюжет, але додамо помітний зсув фаз для імітації частково реактивного навантаження, відбувається щось цікаве, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Розсіювання потужності при реактивному навантаженні.

Фіолетовий слід являє собою розсіювання потужності транзистора. Виріб пікового струм-напруги вдвічі перевищує значення, яке спостерігається при чисто резистивному навантаженні. Ця комбінація може лежати поза безпечною робочою зоною транзистора. Зрештою, реактивні навантаження дещо більш «складні», ніж прості резистивні навантаження. Тому транзистори можуть бути розраховані вище, ніж значення, обчислені для ідеалізованого резистивного навантаження.

Іншим способом розгляду питання зсуву фаз, викликаного гучномовцями та іншими складними навантаженнями, є вивчення лінії навантаження змінного струму. Наша попередня робота з лініями навантаження завжди передбачала, що навантаження була чисто резистивною. Що відбувається в комплексному випадку імпедансу?

Якщо ми досліджуємо загальне комплексне навантаження на одній частоті, наша колишня пряма лінія навантаження перетворюється на еліпс, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Лінія навантаження змінного струму зі складним навантаженням.

Ця ділянка передбачає, що схема має центровану точку Q. Нормальна резистивна лінія навантаження показана зеленим кольором. Ми можемо візуалізувати сигнал, починаючи з нульової амплітуди, тобто все, що ми бачимо, - це точка Q. Коли сигнал стає все більшим і більшим, він коливається уздовж зеленої лінії, поки, врешті-решт, він не максимується на двох осях. У комплексному випадку імпедансу ми також починаємо з точки Q. Зі збільшенням сигналу він простежує еліпс навколо точки Q. Подальше збільшення створить більший еліпс, а потім більший еліпс і так далі. Врешті-решт, ми побачили б максимальний розмах, просто торкаючись осей. Це те, що намальовано вище червоним кольором, максимальний випадок (тобто при повній відповідності).

Якщо кут імпедансу змінюється, співвідношення сторін еліпса змінюється в реакції на нього. Чим більше кут, тим більш відкритим стає еліпс. Крайні значення 0\(^{\circ}\), чисто резистивний випадок, який дає згорнутий еліпс або пряму лінію; і 90\(^{\circ}\), чисто реактивний випадок, який дає повністю відкритий еліпс або коло. Ми вже бачили, що фазовий кут гучномовця змінюється з частотою, отже, лінія навантаження також змінюється з частотою. Коли ми змітаємо вхідну частоту від низької до високої, ми можемо уявити лінію навантаження, що коливається взад-вперед між прямими лініями та різними еліптичними формами. Однак важливим є те, що деякі з цих нових робочих областей (області, де червона крива знаходиться вище і праворуч від зеленої лінії) можуть вийти за межі безпечної робочої зони транзистора.

Посилання

¹ Це досить дивна назва, враховуючи, що всі гучномовці в певному відношенні динамічні. Якби вони не були, вони не видавали б звуку.

² Адаптовано з Р.Х. Малий, «Аналіз системи прямого радіатора гучномовця», Журнал товариства аудіотехніки, червень 1972 року.