3. Основные виды колебательных процессов в электродинамических громкоговорителях. Физические модели. Методы расчета

3.1. Системная модель электродинамического громкоговорителя

Электродинамический громкоговоритель представляет собой сложный электромеханоакустический преобразователь, в котором происходят линейное и нелинейное преобразования сигнала U(t), подводимого в виде напряжения от усилителя (если ГГ работает в составе акустического устройства, например акустической системы, контрольного агрегата и др., сигнал подводится через соответствующие фильтрующе-корректирующие цепи) в распределенное в пространстве звуковое давление p(R, t). Если входной сигнал представляет собой аналог реального музыкального или речевого сигнала, он имеет сложную временную нестационарную структуру (рис. 3.1). Основная задача при проектировании акустических устройств, в которые входят ГГ, состоит в том, чтобы обеспечить неискаженную передачу временной структуры входного сигнала (технически реализуемой является задача передачи временной структуры сигнала с искажениями ниже порогов слышимости). Именно это условие выдвигает требования к неискаженной передаче частотного и динамического диапазона сигнала, а отсюда и к уровню линейных и нелинейных искажений в ГГ (форме АЧХ, ФЧХ, уровню КНИ и др.). Естественно, что в зависимости от класса акустической аппаратуры, в которой используется громкоговоритель, эта задача реализуется с различной степенью приближения. Для ГГ, разрабатываемых для аппаратуры HI-FI и студийной техники, она должна решаться с максимальной степенью приближения, а для ГГ, создаваемых для переносной массовой аппаратуры, особенно с автономными источниками питания, главной проблемой становится обеспечение максимального КПД при заданных ограничениях на воспроизводимый диапазон частот и уровень нелинейных искажений.

Рис. 3.1. Вид входного сигнала

Функционально электродинамический громкоговоритель может быть представлен в виде системной модели (рис. 3.2), состоящей из:

электромагнитного преобразователя - "магнитная цепь + звуковая катушка", преобразовывающего подводимое к звуковой катушке напряжение U(t) в переменный ток I(t) и в электромеханическую силу F(t): I(t) = L₁[U(t)]; F(t) =L₂[I(t)], где L₁ и L₂ - операторы преобразования, в общем случае нелинейного типа;

механического преобразователя - "подвижная система громкоговорителя", осуществляющего линейное и нелинейное преобразование силы F(t) в распределенное по поверхности механическое смещение u* (α, β, t) : L_3i(u*) = F(t), где L_3i - операторы, описывающие колебательные процессы в оболочках, входящих в состав подвижной системы ГГ; u* - вектор смещения с компонентами: u₁*(α, β, t), u₂*(α, β, t), (следует отметить, что в этом преобразовании участвуют и элементы оформления, в котором установлен ГГ).

акустического преобразователя - "излучающая диафрагма + воздушная среда", преобразовывающего смещения u*(α, β, t) в распределенное в пространстве звуковое давление p(R, t) : L₄ = 0 с учетом граничных условий ∂Ф/∂n|_s = υ_гг, L₄ - оператор волнового уравнения, Ф - потенциал звукового поля, связанный с р соотношением p = ∂Ф/∂t, υ_гг - колебательная скорость на поверхности диафрагмы, равная υ_гг = du₃*/∂t.

Рис. 3.2. Системная модель громкоговорителя

Все эти подсистемы оказывают как прямое, так и обратное влияние друг на друга: механический преобразователь на электромагнитный через смещение звуковой катушки, акустический на механический через звуковое давление на поверхности и т. д.

Исследование вышеперечисленных физических процессов преобразования сигнала в ГГ и разработка соответствующих методов их расчета представляют значительные технические и математические трудности, выполняется в настоящее время с помощью современных средств вычислительной и измерительной техники и находится на различных стадиях завершенности. Анализу состояния этих вопросов и полученных результатов посвящена данная глава.