1.2. История развития и основы устройства электродинамических громкоговорителей

История развития электродинамических громкоговорителей начинается с конца прошлого века [4]. Первый патент, в котором описывался "магнито-электрический аппарат для получения механического движения электрической катушки в результате протекания через нее электрического тока", был опубликован в 1874 г. В 1877 г. был заявлен еще один патент, в котором были описаны основные элементы устройства электродинамического преобразователя, в частности усеченная коническая диафрагма. Некоторые важные структурные элементы ГГ были запатентованы позднее: центрирующая шайба в 1909 г., немагнитные фланцы для создания воздушного зазора и гофрированный подвес - в 1923 г. и др.

В период 20-х годов стали активно развиваться методы расчета электродинамических преобразователей как полосовых фильтров на основе аналогии между механическими системами и электрическими цепями. Основные элементы и принцип устройства электродинамического громкоговорителя промышленного типа были описаны в патентах W. С. Rice, E. W. Kellog (Великобритания) в 1925-1926 гг. Эти работы считаются базовыми для всего последующего развития серийных моделей ГГ. В результате их исследований была создана первая промышленная модель громкоговорителя Radiola Loudspeaker - 104, и хотя с этого периода появились сотни патентов, касающихся усовершенствования отдельных элементов ГГ, принцип его устройства остался неизменным.

Отечественная промышленность по производству ГГ начала развиваться с начала 20-х годов. Первой серийной моделью был электромагнитный громкоговоритель "Рекорд" (в меньшем количестве "Пионер"). В нем использовался, в частности, клееный бумажный диффузор с замшевым плоским подвесом. К концу 30-х и началу 40-х гг. были созданы первые образцы электродинамических громкоговорителей с литыми диффузорами, с этого периода объем их промышленного выпуска постоянно возрастает. Теория расчета и проектирования стала активно развиваться в эти же годы, ей были посвящены специальные монографии, а также много внимания уделялось в курсах по электроакустике [2, 4, 6].

Основы устройства конусного (диффузорного) электродинамического громкоговорителя прямого излучения со звуковой катушкой показаны на рис. 1.1. Громкоговоритель состоит из трех основных частей: подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя.

Подвижная система включает в себя подвес 2 (рис. 1.1), конический диффузор или купольную диафрагму 3, центрирующую шайбу 4, пылезащитный колпачок 5, звуковую катушку 6, гибкие выводы 7.

Рис. 1.1. Основные элементы конструкции конусного (диффузорного) электродинамического громкоговорителя

Звуковая катушка представляет собой цилиндрический каркас с намотанным в несколько слоев изолированным проводником. При пропускании по звуковой катушке, помещенной в радиальный цилиндрический зазор магнитной цепи переменного тока, на нее будет действовать механическая сила F = BlI (В - индукция в рабочем зазоре, l - длина проводника, I - ток). Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и связанной с ней диафрагмы.

Центрирующая шайба представляет собой гофрированную мембрану, которая обеспечивает центровку звуковой катушки в зазоре, препятствует ее крутильным колебаниям, позволяя при этом звуковой катушке совершать необходимые осевые смещения (т. е. центрирующая шайба должна обладать большой гибкостью в осевом направлении и малой - в радиальном и кольцевом); подвес также обычно имеет вид кольцевой гофрированной оболочки, обладающей большой гибкостью в осевом направлении (что позволяет диафрагме совершать необходимые осевые перемещения) и малой - в окружном (что предохраняет диафрагму от крутильных колебаний).

Диафрагма представляет собой упругую оболочку вращения, в которой под действием осевой механической силы со стороны катушки возникают колебания, возбуждающие колебания воздушной среды и излучающие звуковую волну.

Пылезащитный колпачок - купольная или плоская мембрана, предохраняющая зазор от попадания пыли и выполняющая роль дополнительного ребра жесткости на диафрагме.

Гибкие выводы соединяют проводник звуковой катушки с выходными присоединительными клеммами громкоговорителя.

Магнитная цепь в ГГ выполняется обычно в трех вариантах (рис. 1.2): кольцевая с ферритовыми магнитами (а) и с литыми магнитами: керновая (б), кольцевая (в). Элементами магнитной цепи являются: магнит 1 в виде кольца (рис. 1.2, а, в) или керна (рис. 1.2, б), верхний 2 и нижний 3 фланцы, стакан или скоба 4, керн 5, полюсный наконечник 6. Постоянный магнитный поток, создаваемый магнитом, с помощью немагнитных фланцев и керна (или фланца и стакана) направляется в воздушный зазор, имеющий вид цилиндрической щели между керном и верхним фланцем.

Рис. 1.2. Основные виды конструкций магнитных цепей: а - кольцевая с ферритовым магнитом; б - керновая с литым магнитом; в - кольцевая с литым магнитом

Диффузородержатель 8 - служит для объединения, магнитной цепи и подвижной системы и обеспечивает возможность закрепления громкоговорителя в корпусе, с которым он предназначен работать.

Каждый из элементов подвижной системы и магнитной цепи оказывает свое влияние на выходные характеристики громкоговорителя (уровень звукового давления, резонансную частоту, нелинейные искажения и т. д.) и его качество звучания. Подробный анализ физических процессов в каждом из этих элементов и методы их расчета будут рассмотрены в гл. 3; особенности их конструкции в серийных громкоговорителях и технология изготовления - в гл. 4, 5.

Таким образом, в распоряжении разработчика имеется сравнительно небольшое число конструктивных элементов (подвес, диффузор, шайба, звуковая катушка, магнитная цепь и т. д.), в то же время требования, предъявляемые к громкоговорителям, чрезвычайно сложны, так как ГГ должны практически без искажений воспроизводить звучание реальных источников (музыкальных инструментов, голоса, оркестра и т. д.). Разработка и производство высококачественных громкоговорителей являются чрезвычайно сложной проблемой, требующей большого практического труда и опыта разработчиков. 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 для своего решения самых современных мощных ЭВМ (например, расчеты акустических и магнитных полей в ГГ и др.) и средств измерительной техники (лазерной интерферометрии, цифровой импульсной метрологии и т. д.), которые активно развиваются в настоящее время.