2.5. Электромеханические параметры громкоговорителей

Созданные за последние годы методики расчета акустических систем в области низких частот [5, 25] базируются на электромеханических параметрах громкоговорителей: минимальном значении модуля полного электрического сопротивления |Z|_min, активном сопротивлении звуковой катушки R_E, частоте основного резонанса f_S добротности: полной Q_T, механической Q_M, электрической Q_E, эквивалентном объеме V_AS, максимальном смещении X_Dmax. Учитывая важность информации об этих параметрах в процессе разработок акустических систем и ГГ, методики их измерений внесены в международные [9], национальные [21] и отечественные [3] стандарты, а значения их вносятся в техническую документацию на ГГ.

Минимальное значение модуля полного электрического сопротивления |Z|_min в соответствии с методикой ГОСТ 16122-88 либо измеряется непосредственно, либо вычисляется из записанной частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления |Z(ω)|. Запись может производиться в режиме постоянства напряжения по (рис. 2.8, а) или в режиме постоянства тока (рис. 2.8, б). Поскольку электрическое сопротивление ГГ есть комплексная функция частоты, важную информацию дает также запись фазочастотной характеристики полного электрического сопротивления. Образец записи амплитудно- и фазочастотной характеристики Z(ω) для высокочастотного громкоговорителя показан на рис. 2.8, в. Полученное при измерениях минимальное значение |Z(ω)| не должно отличаться больше чем на 20% от номинального электрического сопротивления заданного, для данного типа ГГ (обычно оно выбирается из ряда 4, 8, 16, 25 и 50 Ом). Измерения могут производиться в любом незаглушенном помещении, при этом ГГ должен быть расположен на расстоянии не менее 0,5 м от ближайшей отражающей поверхности, его рабочая ось должна быть расположена горизонтально.

Рис. 2.8. Структурная схема измерений полного электрического сопротивления: в режиме постоянства напряжения (а); в режиме постоянства тока (б); запись частотной характеристики модуля и фазы полного электрического сопротивления (в): 1 - УАЗЧХ; 2 - усилитель; 3 - электронный вольтметр

Частота основного резонанса f_S определяется как частота, при которой значение модуля полного электрического сопротивления имеет свой первый главный максимум (см. рис. 2.8, в). Она может измеряться непосредственно или определяться из записанной АЧХ [3]. В некоторых случаях, особенно для высокочастотных головок, более точным методом является определение резонансной частоты из фазочастотной характеристики (как частоты, при которой ФЧХ проходит через нуль, рис. 2.8, в).

Добротность Q_T является одним из основных параметров, характеризующих работу электродинамического громкоговорителя. Для оценки потерь в процессе электромеханоакустического преобразования сигнала в ГГ используется коэффициент потерь у. связанный с логарифмическим коэффициентом затухания А (методы измерения которого даны в § 2.3) следующим образом:

В области низких частот, где ГГ может рассматриваться как система с сосредоточенными параметрами и режим его работы удовлетворительно описывается с помощью эквивалентных электрических схем, для описания общих потерь в ГГ используется понятие добротности Q_Т (по аналогии с теорией линейных электрических цепей), которая связана с γ и Δ: Q_T = 1/γ = π/Δ. Заметим, что при описании работы ГГ в области средних и высоких частот, где он рассматривается как система с распределенными параметрами, обычно используются коэффициенты γ или Δ. При измерениях, наряду с полной добротностью Q_T, характеризующей общие потери в ГГ, оцениваются также механическая, добротность Q_M как мера потерь в механических элементах подвижной системы и электрическая добротность Q_E, обусловленная наличием тока противоЭДС в электрической цепи ГГ. Эти величины связаны между собой соотношением:

Вопросам разработки методов измерения добротности и сравнительного анализа их погрешностей посвящено достаточно много работ [24]. Наибольшее распространение получили методы определения Q_T, Q_M, Q_E, использующие измерения частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления на синусоидальном сигнале [3] или измерения параметров переходного процесса в электрической цепи ГГ. Измерения в соответствии с ГОСТ 16122-87 могут проводиться по схеме, показанной на рис. 2.9, а. При плавном изменении частоты определяется f₀, при которой показания вольтметра будут максимальны U_max, затем определяется частота f_ЭM, соответствующая минимальным показаниям вольтметра U_min, а также отмечаются две частоты f₁, f₂, расположенные в области f₁ < f₀ < f₂, на которых напряжение  

где R₀ - сопротивление ГГ на постоянном токе, a |Z(ω)|_max; - максимальное значение модуля |Z(ω)|, измеренное по этой схеме. В этом случае механическая добротность

полная добротность Q_T = Q_MR/|Z|_max, электрическая добротность определяются по (2.4).

Рис. 2.9. Структурные схемы измерения добротности по измерению модуля полного электрического сопротивления (а), по измерению переходного процесса (б), вид осциллограммы для определения добротности (в): 1 генератор; 2 - усилитель; 3, 5 - вольтметры; 4 - частотомер; 6 - диод

Для ГГ у которых отношение |Z|_max/|Z|_min меньше 1,6 (4 дБ), рекомендуется определять добротности по измерению параметров переходного процесса. Измерительная аппаратура подключается по схеме рис. 2.9, б. Частота следования импульсов выбирается в пределах 0,2...0,4 f₀, длительность импульсов (0,3...0,5) 1/f₀, напряжение на ГГ устанавливается из условия, чтобы ток был равен 10 мА. С помощью калиброванного осциллографа производятся измерения U₁, U₂ двойного пикового значения (размаха) напряжения первого и второго периодов отклика (рис. 2.9, в). Механическая добротность Q_M = 1,36/ln(U₁/U₂), а Q_T, Q_E вычисляются по (2.4). Измерения повторяют при различной полярности ГГ и выбирают большее значение.

Эквивалентный объем V_AS определяется как закрытый объем воздуха, имеющий акустическую гибкость, равную гибкости подвижной системы. Эквивалентный объем ГГ V_AS = V_B(f²_S/f²_C - 1), где f_S - резонансная частота ГГ без оформления, f_с - та же величина, измеренная при установке ГГ в закрытый ящик объемом V_B с хорошей герметизацией и отражающими внутренними стенками. Объем ящика выбирается из условия f_c > √2·f_S. Поскольку обеспечить хорошую герметизацию в закрытом ящике достаточно трудно, в [25] рассматривается методика измерений Q_T, Q_M, Q_E в ящике с фазоинвертором, где требования к герметизации менее жесткие.

Указанные выше параметры f_SQ_T, Q_M, Q_E, V_AS, R_E, a также X_Dmax - смещение катушки при заданном уровне КНИ и Р_Еmах - максимальная электрическая мощность получили в технической литературе название "параметры Small - Thiele", поскольку созданная этими авторами и широко применяемая в практике разработок ГГ теория анализа и синтеза акустических систем в области низких частот [5, 7, 25] основана на использовании данных параметров. В настоящее время развитие цифровой техники измерений позволило разработать более быстрые и точные методы определения всей совокупности вышеперечисленных параметров одновременно, основанные на анализе переходной характеристики ГГ по напряжению в звуковой катушке. Анализ полученной переходной характеристики позволяет с помощью методов линейного предсказания идентифицировать коэффициенты электрической цепи, переходная характеристика которой совпадает с измеренной. Из вычисленных таким образом коэффициентов определяется вся совокупность требуемых параметров. Программы для расчета на ЭВМ отработаны как для закрытых, так и для фазоинверсных систем.

К числу важных присоединительных характеристик следует отнести полярность ГГ, различные методы определения которой приведены в ГОСТ 16122-87, в них используется подключение ГГ к источнику постоянного тока или сравнение его с полярностью вспомогательного ГГ на импульсном сигнале.