3.9. Теплофизические процессы в электродинамических громкоговорителях [1989 Алдошина И.А.

Как уже было отмечено в гл. 2, основной механизм, ограничивающий неискаженное воспроизведение сигнала при больших уровнях, определяется теплофизическими процессами, происходящими в узле "звуковая катушка + магнитная цепь" (разумеется важную роль играют и ограничения по смещению подвижной системы). В процессе преобразования сигнала подводимая к ГГ электрическая энергия частично преобразуется в акустическую (1...5%), остальная рассеивается в виде тепла, поэтому при проектировании ГГ стремятся обеспечить максимальный теплоотвод в конструкции и теплоустойчивость ее элементов. Тем не менее при воспроизведении современных музыкальных программ температуры звуковых катушек могут достигать значительных величин, например, температура ЗК низкочастотного громкоговорителя составляет: 100°С - рояль (соло), 150°С - оркестр (симфонический), 120°С - рокк-группа и т. д. Изменение температуры ЗК в низкочастотном ГГ диаметром 315 мм в зависимости от подводимой мощности при разной индукции в зазоре (1,2 и 2,0 Тл) показаны на рис. 3.48.

Рис. 3.48. Зависимость температуры от подводимой мощности

Значительный нагрев ЗК и элементов магнитной цепи вызывает такие нежелательные явления, как механическое повреждение ЗК, изменение магнитных свойств, возрастание активного сопротивления ЗК (значения R_E при разной величине подводимой мощности показаны на рис. 3.48) и др. Изменение активного сопротивления в 1,5...2 раза при нагреве до 200°С приводит к изменению тока при больших мощностях, а так как это сказывается в основном в области электромеханического резонанса, где |Z|_max = R_E, по мере повышения мощности деформируется форма АЧХ, нарушается "динамическая линейность" [68]. Кроме того, такое значительное изменение активного сопротивления ЗК приводит к рассогласованию ГГ с фильтрующими цепями в АС, что вызывает ухудшение параметров и качества звучания ГГ.

Теоретический анализ процессов теплопередачи в ГГ встречает значительные трудности, объясняющиеся необходимостью учета всех трех основных способов переноса тепла: теплопроводности, конвекции, теплоизлучения [69]; сложностью формы области, в которой расположена звуковая катушка (с учетом зазоров, отверстий в керне и полостей между нижним, верхним фланцем и магнитом) (см. рис. 1.2); нестационарностью процесса теплопередачи, обусловленного спецификой музыкальных и речевых сигналов. Поэтому за последние годы был выполнен большой комплекс экспериментальных работ, позволивший разработать физические модели процессов теплообмена. На ГГ с встроенными термопарами было исследовано (см. рис. 2.25) влияние формы области, в которой расположена ЗК, конструктивных параметров самой ЗК и деталей магнитной цепи, теплофизических свойств среды, способов переноса тепла и т. д. Анализ температур нагрева в магнитной цепи и ЗК позволил установить следующее [69]:

прогрев звуковой катушки происходит неравномерно; наибольшую температуру имеют участки ЗК, расположенные выше рабочего зазора (точка 3, рис. 3.49, а) (примерно на 30% больше, чем температуры участков, находящихся в зазоре), а также между слоями намотки (точка 4) (примерно на 35%), участки ЗК ниже зазора (точка 1) имеют температуру на 10% больше, чем в зазоре.

Рис. 3.49. Зависимость T(f) в разных точках магнитной цепи (а); характер процесса установления температуры (б): 1 - ЗК с бумажным каркасом, 2 - с алюминиевым каркасом

Конструктивные элементы магнитной цепи (керна, фланцев, магнита) существенно влияют на процесс прогрева ЗК. Для точек ЗК вне зазора (точка 3) теплообмен зависит в основном от теплопроводности воздуха, конструкция цепи влияет мало; для точек ЗК внутри зазора (точка 2) существенное влияние оказывает наличие керна (снижение температуры ЗК на 35% по сравнению с ЗК без цепи) и верхнего фланца (ΔТ = 28%). На участке ниже зазора (точка 1), наибольшее влияние оказывает близость ЗК к массивному керну (ΔT = 30%). Наличие отверстия в керне также влияет на температуру нагрева ЗК. Как показали измерения, температура на 40% меньше при отсутствии отверстия за счет того, что при этом происходит, по-видимому, более интенсивное "прокачивание" воздуха через зазор. Исследование влияния ширины зазора на процессе теплоотвода, показало, что с уменьшением ширины зазора δ_З тепловое сопротивление R_T падает (например, при изменении δ_З от 0,6 мм до 0,2 мм R_Т уменьшается почти в 2 раза). Теплопроводность материала керна также имеет существенное значение, поскольку у меди коэффициент теплопроводности выше, чем у стали, наличие медных колец и колпачков на керне улучшает теплообмен.

Конструктивные параметры ЗК существенно влияют на тепловой режим. Оценка влияния диаметра катушки на процесс установления температуры и на ее стационарное значение позволяет установить, что увеличение диаметра существенно снижает температуру. Например, переход от диаметра 40 мм к диаметру 100 мм позволяет уменьшить температуру почти в 2 раза и увеличить время установления на 70%. Экспериментальные исследования тепловых режимов на большом числе ГГ позволили построить приближенные зависимости подводимой мощности Р от диаметра катушки D_K. Результаты показаны в табл. 3.7.

Материал каркаса ЗК также может оказать значительное влияние на температуру ЗК и постоянную времени установления. Как следует из рис. 3.49, б, переход от каркаса из кабельной бумаги к каркасу из более теплопроводного материала алюминиевой фольги позволяет снизить температуру нагрева почти на 20%.

Отношение высоты намотки h_K к высоте зазора также влияет на режим нагрева ЗК. Увеличение высоты верхнего фланца улучшает теплообмен (например, при d_K = 19 мм увеличение h_ф с 6 до 19 мм снижает тепловое сопротивление R_T почти в 2 раза), в то время как уменьшение высоты намотки h_K при заданной толщине h_ф ухудшает теплообмен.

Теплофизические свойства среды, находящейся в зазоре магнитной цепи ГГ, оказывают существенное влияние на процесс теплообмена [69, 70]. Результаты сравнительного измерения температур нагрева ЗК в воздухе и вакууме показывают, что на низких частотах температура нагрева катушки в воздухе ниже, чем в вакууме почти на 35...40%, на более высоких частотах эта разница уменьшается до 13...15%. Подобное явление объясняется тем, что при больших амплитудах смещения катушки на низких частотах влияние среды на теплоотдачу происходит в основном за счет вынужденной конвекции воздуха и теплопроводности среды, на средних и высоких частотах, где амплитуда мала, - только за счет теплопроводности. С целью увеличения теплопроводности среды используется заполнение зазора магнитными жидкостями (МЖ) и магнитореологическими суспензиями (МРС). Магнитные жидкости представляют собой коллоидные растворы или суспензии ферромагнитных частиц в жидкости. Они относятся к классу дисперсных магнетиков, не твердеющих в магнитном, поле. В качестве дисперсной фазы используются частицы магнетика, железа, ферритов, никеля, кобальта; в качестве дисперсной среды - минеральные и силиконовые масла, сложные эфиры, керосин и др. Основные физические свойства таких жидкостей - способность намагничиваться, прочно удерживаться магнитным полем, однородность, текучесть. Для повышения устойчивости магнитной жидкости вводится поверхностно-активные вещества - стабилизаторы, например олеиновая или линолевая кислота. Кроме того, используются магнитореологические суспензии, состоящие из ферромагнитных частиц игольчатой формы гамма-окиси железа или двуокиси хрома, взвешенных в кремнийорганических жидкостях. Применение МЖ и МРС позволяет уменьшить температуру нагрева катушки почти в 2 раза (например, введение МРС в зазор высокочастотного громкоговорителя 2ГД-36 дало возможность снизить температуру ЗК при мощности 2 Вт с 53 до 30°С, уменьшить тепловую постоянную времени охлаждения ЗК и т. д. [70]. Особенности применения МРС в конструкциях ГГ рассмотрены в гл. 5.

Сравнение процессов теплообмена при переходе от статических к динамическим режимам работы ЗК показывает, что на низких частотах при больших амплитудах температура в динамическом режиме снижается за счет вынужденной конвекции, на средних - приближается к температурам в статическом режиме. При этом неравномерность нагрева ЗК по сравнению со статическим режимом увеличивается, особенно в области низких частот при больших амплитудах смещения.

Определенный вклад в частотную зависимость температуры нагрева вносят вихревые токи (токи Фуко), возникающие в приповерхностных частях деталей магнитной цепи при перемещении ЗК (глубина проникновения вихревых токов в стальных фланцах на 1000 Гц составляет примерно 0,5 мм). Как показали экспериментальные результаты, температура ЗК на высоких частотах за счет вихревых токов несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся в единицу времени при протекании вихревых токов,

где μ₁, μ₀ - магнитная проницаемость керна и воздуха; W - число витков; S - площадь поперечного сечения витков и керна; h_K - высота катушки; u_ЗK - напряжение, подводимое к ЗК; R_M - сопротивление материала керна (фланцев), Z - полное электрическое сопротивление.

Существенное влияние на теплофизические процессы в ГГ оказывает вид теплопередачи [69]. В громкоговорителях (тепло от источника нагрева - провода ЗК - переносится одновременно тремя способами: теплоизлучением, теплопроводностью, конвекцией. От нагрева провода ЗК тепло через слои лаковой изоляции, клея и каркаса передается к наружной и внутренней поверхности ЗК за счет теплопроводности. С этих поверхностей тепло переносится к массивным деталям магнитной цепи из-за теплопроводности среды в зазоре, конвекции (теплоотдачи) и теплоизоляции. За счет теплопроводности тепло передается по деталям магнитной цепи к наружным поверхностям, откуда происходит теплоотдача во внешнюю среду.

Анализ процессов теплообмена в различных частотных областях ГГ позволил оценить влияние различных видов процесса и построить их физические модели. Оценка вклада процесса теплоизлучения (в результате которого нагретое тело передает часть энергии в окружающее пространство в виде электромагнитных волн длиной от 0,3 до 10 мкм) в общий тепловой процесс в ГГ показала, что он сравнительно невелик. Так, примерный расчет удельного теплового потока излучения при температуре ЗК, равной 100°С, составляет q_п = 0,1 Вт/см², в то время как удельный поток за счет конвекции q_к = 18 Вт/см². На основании полученных экспериментальных данных оказалось целесообразным выделить три модели для оценки теплофизических процессов в ГГ:

низкочастотную - высота катушки h_K больше высоты зазора h_З, и амплитуда смещения ЗК больше высоты зазора x_K > h_З. Здесь основной вклад в теплоотвод вносит механизм вынужденной конвекции за счет обтекания ЗК потоками воздуха, возникающими в полостях цепи и зазоре, при работе ГГ, а также механизм теплопроводности;

среднечастотную - смещение ЗК меньше высоты зазора Х_ЗК < h_З, основное влияние оказывает процесс теплопроводности через каркас ЗК, воздушный зазор и полости в магнитной цепи, детали магнита и магнитопровода. Часть тепла отводится также через элементы подвижной системы - диффузор, шайбу, колпачок;

высокочастотную, где h_K < h_З и x_ЗK < h_З, и основное влияние оказывает теплопроводность среды, вязкость воздуха и теплоизлучение.

Теория расчета тепловых процессов в ГГ начала развиваться сравнительно недавно. На основании экспериментальных результатов в [69] дана приближенная методика определения конструктивных параметров системы "звуковая катушка + магнитная цепь" по номограммам в зависимости от допустимой мощности и температуры нагрева. Для разработки точной методики расчета теплофизических процессов в ГГ в настоящее время используются численные методы на ЭВМ.

Первым этапом создания таких методик является построение математических моделей, которые будут отличаться для разных частотных областей в соответствии с рассмотренными выше физическими моделями. В [71] построена среднечастотная математическая модель, в которой определение тепловых режимов в ГГ сводится к решению осесимметричной задачи нестационарного теплообмена конечного многослойного цилиндра с внутренними источниками тепла, расположенного в сложной области, определяемой геометрическими размерами и конфигурацией узла "магнитная цепь - ЗК". Уравнение теплопроводности для данного случая:

где T(t, r, z) - функция распределения температур; λ(r. z), C_p(r, z), р(r, z) - функции, характеризующие свойства среды; λ(r, z) - коэффициент теплопроводности; C_p(r, z) - удельная теплоемкость; p(r, z) - плотность; W(t, r, z) - удельная мощность источника; s = 0 или 1 (s = 0 для стационарной задачи, s = 1 для динамической). Вся область Ω разбивается на набор непересекающихся подобластей (сетку), на границах которых заданы соответствующие граничные и начальные условия. Для решения таких задач создан пакет программ "ТЕМП" для машин типа ЕС-1045, БЭСМ-6. Основой пакета является решение задачи (3.40), построенное методом конечных элементов. Пример расчета распределения температур по элементам магнитной цепи и ЗК, рассчитанных по этой программе, показан на рис. 3.50 (магнитная цепь с габаритными размерами диаметр катушки 70 мм, диаметр магнита 184 мм, высота зазора 10 мм, ширина зазора 2 мм, подводимая мощность 20 Вт). Для моделирования процессов в низкочастотной области в уравнение (3.40) необходимо включить члены, учитывающие наличие конвекционных потоков в зазоре. Пакет программ для решения такой задачи в настоящее время создается. Использование численных методов дает возможность рассчитать распределение температур для любых применяемых на практике конструкций магнитной цепи, установить влияние конструктивных параметров магнитной цепи и ЗК на процесс теплопередачи и выбрать вариант конструкции, обеспечивающей минимизацию нагрева ЗК.

Рис. 3.50. Распределение температуры в деталях магнитной цепи

Как уже отмечалось, в практике разработок ГГ улучшение их тепловых режимов проводится по двум направлениям: улучшение теплоотвода и повышение теплостойкости. К первому относится применение уже рассмотренных выше магнитных жидкостей; тепловых трубок и полупроводниковых холодильников; использование материалов для каркасов ЗК с высокой теплопроводностью: медь, алюминий, а также специальной керамики, которая обладает большой теплопроводностью и значительным электрическим сопротивлением, что предотвращает появление вихревых токов в каркасе ЗК. Кроме того, имеются данные о применении для шайб специальных материалов с теплопроводящими волокнами. Во многих конструкциях мощных низкочастотных ГГ используются радиаторы на магнитных цепях или в качестве них применяются пылезащитные колпачки из теплопроводящих материалов (см. гл. 6). Ко второму - применение специальных материалов для каркасов, изоляции проводов и клеев для ЗК (см. гл. 4), выдерживающих нагрев до 200...300°С без изменения своих свойств.

Таким образом, существенный прогресс, достигнутый за последние годы в исследовании физических моделей и методов расчета теплофизических процессов, позволяет создавать конструкции мощных ГГ для студийной, концертно-театральной и высококачественной бытовой аппаратуры, выдерживающие мощности 100...200 Вт и обеспечивающие пиковые уровни звуковых давлений 110...120 дБ.

Подводя итоги результатам, изложенным в данной главе, следует отметить, что в последние годы достигнут значительный прогресс в исследовании физических процессов, происходящих во всех элементах громкоговорителей, а также в разработке методов их математического анализа. Однако полный цикл работ, позволяющий совершать полный расчет всех процессов преобразования сигнала в ГГ еще не завершен. Наиболее интенсивные исследования проводятся в настоящее время в следующих направлениях: разработка комплексов программ для расчета на ЭВМ тепловых, электромагнитных и акустических полей в ГГ, применение оптимизационных методов теории цепей для анализа эквивалентных схем ГГ в области низких частот, разработка методов расчета нелинейных процессов и, наконец, применение современной теории идентификации для перехода к решению задач синтеза, т. е. определение конструктивных параметров ГГ по его выходным электроакустическим характеристикам.