1. Термины и определения. Классификация. История развития и основы устройства электродинамических громкоговорителей

1.1. Термины и определения. Классификация

В современном Международном электротехническом словаре [1] термин "громкоговоритель" ("loudspeaker") определяется как "преобразователь, позволяющий получить акустические волны из электрических колебаний и предназначенный для излучения акустической мощности в окружающую среду". Там же указано, что он может применяться как к единичным громкоговорителям (loudspeaker unit), так и к акустическим системам. Под "единичным громкоговорителем" понимается электроакустический преобразователь без какого-либо оформления. Под "акустической системой" понимается устройство, состоящее из акустического оформления (корпуса), одного или нескольких единичных громкоговорителей и других соответствующих устройств, таких, как фильтры, трансформаторы и другие пассивные элементы. В отечественной технической литературе [2] обычно использовался термин "громкоговоритель" (в зависимости от способа преобразования с определением - электродинамический, электростатический и др.) для единичных излучателей, для многополосных громкоговорителей применялось определение "акустическая система", "звуковая колонка", "студийный контрольный агрегат" и т. д. Однако за последние годы в ГОСТ 16122-87 [3] введен для единичного громкоговорителя еще один термин "головка громкоговорителя", который является не совсем удачным. В настоящее время разрабатывается отечественный словарь терминов по электроакустике, вероятно в нем будет введено единообразие с международным [1]. Поскольку в отечественных и зарубежных статьях, патентах, книгах по электроакустике в основном продолжают использовать понятия "громкоговоритель" (loudspeaker unit) и "акустическая система" (acoustical system), то и в данной книге термин электродинамический "громкоговоритель" (ГГ) будет использоваться для единичного громкоговорителя (т. е. "головки громкоговорителя"), а для многополосных громкоговорителей в зависимости от назначения - "акустическая система", "звуковая колонка" и др.

Классификация громкоговорителей может быть произведена по различным признакам. Остановимся на основных из них.

Принцип действия (т. е. способ преобразования электрической энергии в акустическую): наибольшее промышленное распространение имеют электродинамические громкоговорители, которые в Международном словаре определяются как "громкоговорители, действие которых основано на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током". Электродинамические громкоговорители могут быть реализованы в нескольких вариантах: катушечном, в котором соединенная с излучающей диафрагмой цилиндрическая катушка с намотанным в несколько слоев проводником помещена в кольцевой зазор магнитной цепи, где с помощью постоянного магнита создается радиальное магнитное поле (подробнее принцип устройства этого типа приведен в § 1.2); громкоговорители такого типа серийно выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью; ленточном, в котором тонкая металлическая гофрированная ленточка помещена в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и проводником тока, и излучающим элементом; ленточные громкоговорители серийно выпускаются зарубежными фирмами (более 30 моделей), однако широкого распространения они не имеют из-за большой массы магнитов и низкого сопротивления ленточки, требующего использования согласующих трансформаторов; изодинамическом (ортодинамические, излучатели Хейла): в качестве излучающего элемента применяется тонкая мембрана из диэлектрической пленки, на которую (методом напыления или травления) наносится проводник в виде прямоугольной или круглой спирали. Изодинамические излучатели выпускаются серийно как рядом зарубежных фирм, так и отечественной промышленностью (модель 10ГИ-1). Разновидностью изодинамического громкоговорителя является излучатель Хейла, где в качестве излучающего элемента используется гофрированная мембрана из диэлектрической пленки с проводником специальной формы. Нанесение гофрировки увеличивает КПД излучателя. Семь моделей излучателей такого типа выпускает, например, фирма ESS (США), отечественная модель излучателя в настоящее время разрабатывается.

Широкое распространение в 20-40-е годы имели электромагнитные громкоговорители [4], принцип действия которых заключается в следующем: при пропускании тока через обмотки катушек, надетых на полюсные наконечники постоянного магнита, подвижный ферромагнитный якорь под действием переменной магнитной силы начинает колебаться и приводить в движение соединенную с ним диафрагму. В настоящее время громкоговорители такого типа серийно не выпускаются.

Наиболее распространенным типом среди нединамических излучателей является электростатический громкоговоритель [5] с излучающим элементом в виде тонкой металлизированной пленки толщиной порядка 6...10 мкм, помещенной между перфорированными электродами из металлизированного диэлектрика. Между мембраной и электродами приложено постоянное поляризующее напряжение. Переменное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеблется и излучает звук, подводится через повышающий трансформатор к неподвижным электродам. В настоящее время выпускаются несколько десятков моделей такого типа громкоговорителей, в том числе отечественная серийная модель широкополосного электростатического громкоговорителя 25АСЭ-101. Электретные излучатели отличаются от электростатических использованием поляризованного диэлектрика (электрета). Однако трудности в обеспечении стабильности поверхностных зарядов на большой площади ограничивают применение электретных преобразователей только в микрофонах.

Довольно широкое распространение получили модели пьезокерамических громкоговорителей, в основном в качестве высокочастотных излучателей в акустических системах. В качестве возбуждающего элемента в них используется биморфный элемент, полученный путем соединения двух пластин из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформации, которые передаются соединенной с ним излучающей диафрагме. Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пьезопленочные излучатели: с помощью специально отработанной технологии высокополимерным пленкам придаются пьезоэлектрические свойства. Если такую пленку изогнуть в виде цилиндра или купола, то под действием переменного электрического сигнала она начинает вибрировать и излучать звук. Модели такого типа выпускают фирмы Pioneer (Япония), Audax (Франция) и др.

В плазменных громкоговорителях (плазмотронах, ионофонах), излучение звука происходит за счет пульсации ионизированного объема воздуха, создаваемого коронным разрядом в пространстве между электродами. Основным преимуществом таких громкоговорителей является практически безинерционное воспроизведение звука (т. е. отсутствие переходных искажений). В настоящее время такие модели выпускаются фирмами Magnat (ФРГ), Plasmatronic (США) и др.

Кроме этих типов, известны модели громкоговорителей, выпускаемых в очень ограниченных количествах: пневматического типа, действие которых основано на модуляции потока воздуха; магнитострикционного типа и др.

Способ трансформации акустической энергии: громкоговоритель, у которого поверхность диафрагмы излучает звук непосредственно в окружающую среду, называется громкоговорителем прямого излучения. Если, диафрагма излучает звук, например, в предрупорную камеру, где происходит трансформация скорости звукового давления, громкоговоритель называется рупорным (узкогорлым).

Полоса передаваемых частот: способ конструирования и производства громкоговорителей существенно различается в зависимости от того, в какой полосе частот он предназначен работать. По этому признаку ГГ разделяются на широкополосные (50...100) ... (16...20) · 10³ Гц; низкочастотные (20...40) ... (500...1000) Гц; среднечастотные (300...500) ... (5...8) · 10³ Гц и высокочастотные (1..5) ... (16...30) кГц.

Форма диафрагмы: конус (прямолинейный или криволинейный), купол (выпуклый или вогнутый), плоский диск или кольцевой сегмент. В зависимости от этого громкоговорители разделяются на конусные (диффузорные), купольные и т. д.

Тип акустического оформления: закрытый, открытый, фазоинверсный, широкогорлый рупор. По этому признаку также классифицируются громкоговорители в описаниях, статьях, каталогах, патентах и т. д.

Область применения: в современной звукотехнике в различной аппаратуре. В зависимости от области их применения параметры и элементы конструкции значительно отличаются (см. гл. 5). Основными областями применения являются: массовая радиотехническая аппаратура (приемники, телевизоры, магнитофоны и др.); высококачественная (категории HI-FI) бытовая акустическая аппаратура; студийные контрольные агрегаты, концертно-театральная и кинотеатральная аппаратура; аппаратура для озвучения (звуковые колонки, специальные акустические системы); абонентские громкоговорители, телефоны и др. В соответствии с этим и громкоговорители разделяются на кинотеатральные, массовые, студийные, для аппаратуры HI-FI и т. д.

Наибольшее распространение в бытовой и профессиональной технике имеют в настоящее время электродинамические громкоговорители катушечные конусные (диффузорные) или купольные прямого излучения. Эти типы громкоговорителей разрабатываются и выпускаются десятками миллионов штук в год в крупносерийном производстве. Поэтому в данной книге будут рассмотрены вопросы метрологии, проектирования, технологии и особенности конструкции именно этих громкоговорителей.