2.9. Методы измерений параметров теплофизических процессов в ГГ

К современным высококачественным акустическим системам, как бытовым, так и профессиональным (студийным, концертно-театральным и т. д.), предъявляются очень жесткие требования по обеспечению неискаженной передачи музыкальных программ с большим динамическим диапазоном. Для применяемых в них ГГ обеспечение этих требований выражается в создании конструкций способных выдерживать без механических и тепловых повреждений мощности 100...200 Вт (для концертно-театральных ГГ они могут быть 300 Вт). Поскольку КПД современных электродинамических громкоговорителей составляет единицы процентов, значительная часть подводимой мощности рассеивается в виде тепла в звуковых катушках, температура которых в процессе работы может достигать 150...200°С [39]. Увеличение температур нагрева звуковых катушек приводит к уменьшению надежности громкоговорителей (разрушение звуковых катушек из-за сползания витков, деформация каркасов и т. д.), ухудшению электроакустических характеристик и качества звучания за счет изменения активного сопротивления звуковой катушки, искажения формы АЧХ и рассогласования параметров ГГ с фильтрующе-корректирующими устройствами в АС [39]. Таким образом, проблема исследования тепловых режимов в ГГ является чрезвычайно актуальной. Для ее решения потребовалось создать специальные методы измерения температурных режимов работы ГГ, чему за последние годы посвящено значительное число работ. Их анализ показывает, что температура нагрева звуковых катушек (ЗК) измеряется в основном косвенными методами - по изменению активного сопротивления ЗК при нагревании:

где T₂, Т₁ - конечная и начальная температура нагрева; R₂, R₁ - активные сопротивления ЗК до и после нагрева; α - температурный коэффициент сопротивления материала провода. Основанные на этом методе измерительные средства можно разделить на две группы:

устройства, позволяющие измерять температуру ЗК, предварительно нагретой испытательным сигналом [39]. Звуковая катушка подключается к источнику сигнала (УЗЧ). После нагревания в течение заданного времени ЗК отключается от УЗЧ и включается в одно из плеч предварительно сбалансированного на сопротивление "холодной" ЗК измерительного моста. По показаниям прибора, включенного в диагональ моста, рассчитываются сопротивление ЗК и изменение её температуры. Вместо мостовой измерительной схемы может использоваться источник стабилизированного тока, создающий падение напряжения на ЗК. Влияние температуры нагрева в этом случае рассчитывается по разнице падений напряжения на "холодной" и нагретой катушке. Эти измерительные устройства просты, но позволяют измерять лишь установившуюся максимальную температуру нагрева ЗК и не обеспечивают большой точности;

устройства, позволяющие измерять текущие значения температуры ЗК без отключения от источника сигнала. Одним из таких способов является намотка дополнительной катушки (один или несколько витков), из более тонкого провода на ЗК исследуемого ГГ. При работе ГГ происходит нагрев как основной ЗК, так и дополнительной. По изменению активного сопротивления дополнительной ЗК можно судить о температуре, нагрева основной. Однако,этот способ требует переделки ГГ и дает дополнительную погрешность за счет измерения температуры дополнительного витка.

Более совершенными являются устройства, позволяющие производить измерения в динамическом режиме без переделок ГГ. На, протяжении ряда лет при разработках отечественных ГГ используется измерительное устройство, структурная схема которого дана на рис. 2.25, а. От источника сигнала 7 через УЗЧ 2 разделительный конденсатор 3 на излучатель 4. подается, сигнал. Разделительный конденсатор, препятствующий попаданию постоянного напряжения с выхода УЗЧ в случае его разбаланса на ЗК имеет емкость 4000 мкФ, которая выбрана с тем расчетом чтобы при работе с четырехомным ГГ ослабление сигнал 20 Гц не превышало 1 дБ. Стабилизированный ток, получаемый от источника тока 5, создает на активном сопротивлении ЗК начальное опорное напряжение 40 мВ. При изменении мощности, подводимой от УЗЧ, изменяются активное сопротивление ЗК и опорное напряжение. Напряжение через усилитель постоянного тока 7 подается на измерительный прибор 8 (вольтметр или самописец), отградуированный в значениях температуры. Активный фильтр нижних частот 6 применяется для подавления сигнала, поступающего с УЗЧ на ГГ от 20 Гц и выше), и пропускания сигнала, обусловленного изменением температуры ЗК (0...1 Гц). Суммарная погрешность измерений составляет 1-2° К. С помощью этого устройства проводятся экспериментальные исследования по установлению зависимостей температуры нагрева ЗК (а следовательно, допустимых электрических мощностей ГГ) от конструктивных параметров ГГ, определению тепловых постоянных времени, а также установлению зависимостей изменения температуры ЗК от частоты и от времени на синусоидальных, шумовых и музыкальных сигналах. Примеры измеренных таким образом тепловых постоянных времени для ряда ГГ и запись процесса установления и спада температуры показаны в табл. 2.4 и на рис. 2.25 б.

Рис. 2.25. Структурная схема установки для измерения температуры (а); процесс нарастания и спада температуры (б); макет ГГ с термопарами (в): 1 - диаметр ЗК 40 мм, 2 - диаметр ЗК 70 мм, 3 - диаметр ЗК 100 мм

Таблица 2.4

Для исследования физической картины процессов теплообмена в ГГ было создано специальное измерительное устройство, позволяющее контролировать характер изменения температуры в различных элементах конструкции ГГ. Устройство представляет собой разъемную магнитную цепь и подвижную систему, в детали которых вмонтированы микротермопары ХК. Их расположение в точках 1, ..., 10 показано на рис. 2.25 в. Термоэлектродвижущая сила термопар, возникающая при нагреве их рабочих спаев, фиксируется цифровым вольтметром и переводится с помощью градуировочных таблиц в значения температур. Свободные концы всех термопар соединяются с соответствующими компенсационными проводами, которые погружаются в воду со льдом (при Т = 0°С). С помощью многодорожечных самописцев можно одновременно записывать температуру всех интересующих точек как в стационарном, так и в динамическом режимах. Анализ процессов теплообмена в ГГ приведен в гл. 3.

Потребности различных областей техники обусловили интенсивное развитие термометрии. Однако применение ее методов и средств при разработках ГГ только начинается, так, полезное применение в разработках ГГ могут найти приборы, построенные на анализе теплового излучения (пирометры, тепловизоры и др.), термочувствительные краски (которые наносятся на определенные участки поверхности и в зависимости от ее температуры изменяют свой цвет), высокоточные термометры сопротивления (например, платиновые, германиевые и др.), термистеры (термочувствительные резисторы, выполненные на основе смешанных окислов переходных металлов, например магния или никеля), их преимуществом является разнообразие форм и размеров, в частности, выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм, что позволяет размещать их в полостях малых размеров.