Громкоговоритель (репродуктор)

Громкоговоритель (репродуктор)

ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ, репродуктор, аппарат для громкого воспроизведения речи и музыки, передаваемых радиовещательными станциями. Т. к. человеческое ухо способно улавливать малейшие искажения звука, то к громкоговорителю должны быть предъявлены весьма строгие требования. Для точной репродукции звука необходимо соблюдение следующих условий.

1) Точное воспроизведение всех обертонов, входящих в состав звука, с сохранением их относительных интенсивностей, и отсутствие каких-либо добавочных тонов, могущих быть внесенными самим громкоговорительным устройством. Особенно важно точное воспроизведение высоких звуковых частот, от которых сильно зависит ясность речи.

2) Громкость звука, даваемого громкоговорителем, не должна значительно превышать громкость воспроизводимого звука; иначе звук искажается вследствие неодинаковой чувствительности уха к тонам разных высот; кроме того, создается ощущение непривычного звука, а при больших громкостях возникают искажающие репродукцию комбинационные тоны и субъективные обертоны.

3) Громкоговоритель не должен давать послезвучащих тонов, иначе звуки сливаются.

Искажения могут возникать в микрофоне, в линии передачи до антенны и от антенны до громкоговорителя, в усилителях передатчика и приемника, в трансформаторе, подводящем ток к громкоговорителю, и в самом громкоговорителе. В дальнейшем имеются в виду лишь искажения, возникающие в самом громкоговорителе.

Первое из приведенных условий требует, чтобы громкоговоритель во всей области звуковых частот, относящихся к области речи и музыки, т. е. от 50 до 8000 пер/сек., передавал колебания без относительного искажения амплитуд. Если р1 - амплитуда избыточного давления при звуковых колебаниях воспроизводимого звука, р2 - то же для звука репродуцированного, то р1 д. б. равно k·р2 во всей области передаваемых частот, и k д. б. независимым ни от частоты, ни от интенсивности. Кроме того, во всей указанной области громкоговоритель не должен иметь резко выраженных резонансных частот. Второе из упомянутых условий кладет предел усилению токов, подводимых к громкоговорителю.

В сущности, всякий громкоговоритель выполняет то же, что и телефон: превращает электрические колебания в акустические. Поэтому он должен иметь две части: электрическую систему с вибрирующим механизмом, где электрические колебания превращаются в механическую, и акустическую систему, служащую для излучения звуковой энергии. По конструкции акустической части громкоговорители делятся на рупорные, где излучателем звуковой энергии служит рупор, и безрупорные (или диффузорные), где звуковая энергия излучается непосредственно вибрирующим механизмом, который имеет в этом случае большую поверхность (диффузор). По конструкции электрической части громкоговорители делятся на электромагнитные, электродинамические и электростатические.

Электромагнитные громкоговорители имеют, как и телефон, вибрирующий механизм в виде железной мембраны, которая колеблется под действием переменного магнитного поля, создаваемого телефонным током, проходящим после усиления по обмоткам электромагнитов (фиг. 1).

Электромагнитный громкоговоритель

Искажения в этой системе могут обусловливаться:

1) Резонансом мембраны; для ослабления резонансных свойств мембрана должна обладать большим затуханием; кроме того, резонанс мембраны должен лежать вне области передаваемых частот. Так как собственная частота мембраны повышается с увеличением ее упругости и с уменьшением ее массы, то частоту мембраны можно понизить, увеличив массу и уменьшив упругость (большие тонкие мембраны), или же повысить, уменьшив массу и увеличив упругость. Но в первом случае прогиб мембраны оказывается слишком большим, и при сильных токах мембрана может касаться магнита, а во втором (малые мембраны) - ее амплитуды оказываются слишком малыми. Благодаря своей легкости, могут применяться и мембраны из немагнитного материала (слюда, алюминий, целлулоид) с железным якорем.

2) Если переменное магнитное поле велико сравнительно с дополнительным постоянным, то возникает удвоение частоты (октава); этот недостаток устраняется применением сильных постоянных магнитов.

3) При больших амплитудах мембраны упругая сила, которая уравновешивает отклоняющее действие магнитного поля, оказывается непропорциональной току, создающему переменное магнитное поле, вследствие чего появляются добавочные частоты. Непропорциональность между отклонениями мембраны и силой тока, проходящего по обмоткам электромагнитов, является причиной наиболее существенных искажений звука. Поэтому чистая репродукция возможна лишь при малых амплитудах мембраны. Ради возможности применять большие мембраны с относительно большими амплитудами, мембрану скрепляют с якорем, находящимся в сбалансированном положении между полюсами сильного магнита (фиг. 2).

Ради возможности применять большие мембраны с относительно большими амплитудами, мембрану скрепляют с якорем, находящимся в сбалансированном положении между полюсами сильного магнита

Наконечники магнита состоят из листов мягкого железа, на которые надета обмотка для телефонного тока. Якорь укреплен в одной точке и, находясь в однородном поле, совершает отклонения, пропорциональные изменениям тока (и поля). Таким симметричным (двусторонним) вибратором снабжен рупорный громкоговоритель Государственного электротехнического треста заводов слабого тока - «Аккорд»; несимметричным (односторонним) вибратором снабжен маломощный рупорный громкоговоритель того же треста - «Лилипут».

Т. к. мембрана сама по себе излучает мало звуковой энергии, то все мембранные громкоговорители снабжают рупором. Его прямое назначение излучать акустическую энергию в окружающий воздух. Он играет в громкоговорителе ту же роль, что антенна в радиопередатчике; поэтому мембрану без рупора можно сравнить с замкнутым колебательным контуром без антенны. Таким образом, рупор позволяет и при малых амплитудах мембраны получить достаточную громкость звука. Рупор заканчивается камерой, в которой помещена мембрана. При движениях мембраны, в узком конце рупора создаются большие скорости движущихся частиц воздуха. Для получения возможно больших скоростей прилежащее к мембране отверстие рупора д. б. возможно узким; точно так же и камера, в которой заключена мембрана, д. б. возможно малой; в противном случае воздух в этой камере при движениях мембраны будет лишь периодически сжиматься, а не вгоняться в отверстие рупора, что необходимо для создания больших скоростей. Предел уменьшению камеры и сужению отверстия кладется увеличением внутреннего трения. Рупор, являясь нагрузкой мембраны, увеличивает ее затухание, что благоприятно в отношении ослабления ее резонансных свойств и необходимо для увеличения излучаемой ею звуковой мощности. Вместе с тем, благодаря нагрузке, несколько понижается собственный тон мембраны, так как сопротивление, создаваемое камерой и рупором, увеличивает массу воздуха, колеблющегося вместе с мембраной, что эквивалентно увеличению массы самой мембраны.

Т. к. рупор сам по себе представляет резонатор, то он может иметь собственные частоты, искажающие репродукцию. Собственные тоны возникают при отражении звуковых волн (образование стоячих волн в рупоре) на внешнем отверстии рупора или в местах его внезапных расширений или сужений. Поэтому чем более плавно расширяется рупор и чем больше его наружное отверстие, тем слабее в нем резонансные явления. Наиболее выгоден в этом отношении рупор, у которого поперечное сечение возрастает по закону показательной кривой А = А0еВх (А - поперечное сечение на расстоянии х, А0 - поперечное сечение узкого отверстия и В - константа). Длинные звуковые волны претерпевают более сильное отражение на конце рупора, чем короткие, поэтому рупор резонирует на низкие частоты (и их гармоники). Чем длиннее рупор, тем ниже его собственная частота; поэтому, для увеличения длины, рупор делают изогнутым или придают ему форму, показанную на фиг. 3.

Чем длиннее рупор, тем ниже его собственная частота

Если резонанс рупора ниже резонанса мембраны, область равномерной передачи разных частот оказывается расширенной. Ниже некоторой частоты, определяемой уравнением f = Ba/2π (где а - скорость звука в см/сек), рупор не проявляет излучающего действия. Амплитуды звуковых колебаний на некотором расстоянии от мембраны, не снабженной рупором, оказываются (при одинаковом возбуждении мембраны) пропорциональными f2 (f - частота). Наличие рупора уменьшает зависимость амплитуд от частоты и, в лучшем случае, делает их независимыми от f. Вообще рупор тем лучше, чем более равномерно распределены по частотам интенсивности даваемых им звуков (при условии одинакового возбуждения мембраны). На фиг. 4 показано распределение интенсивностей хорошего рупора (сплошная черта) и плохого (пунктир).

Распределение интенсивностей хорошего рупора

Качества рупора тем выше, чем уже его внутреннее отверстие, чем шире его наружное отверстие и чем более плавно он расширяется. По мере расширения и укорочения рупора его резонансные свойства ослабляются, а излучение увеличивается, пока, наконец, он не перейдет в короткий конус с широким отверстием - чистый излучатель, лишенный резонансных свойств (диффузор). Рупор обладает направляющим действием, которое тем сильнее, чем короче излучаемые им волны. Звуковые волны, длины которых больше длины рупора, направляющего действия со стороны рупора не испытывают. Помимо резонанса, обусловленного столбом воздуха в рупоре, возможен резонанс, вызванный вибрациями стенок рупора и его арматурой; если рупор сделан из достаточно твердого материала, это явление незначительно.

Электродинамические громкоговорители. Наиболее существенный недостаток электромагнитных громкоговорителей - непропорциональность между отклонениями мембраны и током (при больших амплитудах) - отсутствует в электродинамических громкоговорителях, где вибрирующим механизмом является проводник с током, находящийся в переменном магнитном поле. В этих громкоговорителях собственная частота вибрирующих частей зависит лишь от их массы и упругости, но не от магнитного поля. В электродинамических громкоговорителях разговорный ток проходит по скрепленной с легкой немагнитной мембраной катушке, находящейся в узком между полюсном пространстве постоянного электромагнита. На фиг. 5 показана схема громкоговорителя «Магнавокс». Мембрана жестко скреплена с катушкой, навернутой на целлулоидном барабанчике, находящемся в межполюсном пространстве NS.

Схема громкоговорителя «Магнавокс»

Разговорный ток подводится к катушке (сопротивление которой 10 Ом) от анодной цепи последней усилительной лампы через снижающий трансформатор. На фиг. 6 показана схема громкоговорителя «Гомон».

Схема громкоговорителя «Гомон»

Здесь вибрирующей частью является шелковый конус с навернутой алюминиевой проволокой, по которой проходит разговорный ток. Колебания воздуха передаются через отверстия рупору. Другой тип электродинамических громкоговорителей представляет собою ленточный громкоговоритель конструкции Сименса-Шотки. В нем вибрирующим механизмом является очень тонкая гофрированная алюминиевая лента (вес - несколько мг на 1 см2 поверхности), подвешенная в постоянном магнитном поле напряженности около 10000 гаусс (фиг. 7).

Ленточный громкоговоритель конструкции Сименса-Шотки

Примерные размеры ленты: длина 10 см, ширина 10 мм, толщина 10 мкм, вес 30 мг. По ней пропускается усиленный разговорный ток (максимум 10 А), под влиянием которого лента колеблется в направлении, перпендикулярном магнитному полю (максимальная амплитуда - 5 мм). Хотя масса ленты очень мала, но и упругость ее весьма ничтожна; поэтому собственная частота ленты лежит вне пределов передаваемых частот. Этот громкоговоритель дает чистую передачу и для увеличения излучаемой звуковой мощности тоже снабжается рупором. Главный недостаток такого громкоговорителя - непрочность ленты.

В безрупорных (диффузорных) громкоговорителях излучателем служит сама вибрирующая мембрана, имеющая большую поверхность, которая в большинстве случаев делается конической. Вибрирующий конус имеет загнутую эластичную закраину, позволяющую ему двигаться целиком (как поршень). По конструкции электрической части безрупорные громкоговорители делятся на те же типы, что и рупорные. В электромагнитных громкоговорителях вершина конуса жестко скрепляется с якорем электромагнитного вибрирующего механизма, симметричного двустороннего (как «Рекорд» Треста заводов слабого тока) или несимметричного одностороннего (как «ДП» того же треста). Конус м. б. вогнутым, выпуклым или двусторонним. На электродинамическом принципе основан безрупорный громкоговоритель Риггера, квадратная мембрана которого (от 20x20 см и до 50x50 см) движется вся, как поршень, перед системой постоянных магнитов. Резонансная частота мембраны ниже предела передаваемых частот, и этот громкоговоритель дает наиболее чистую передачу, обладая заметным направляющим действием, особенно резко сказывающимся на коротких звуковых волнах, как это можно видеть на фиг. 8.

Gromkogovoritel 8

Безрупорные громкоговорители могут быть основаны также на электростатическом принципе. Очень тонкая (0,02—0,03 мм), легкая мембрана (слюда или шелк, покрытые слоем металла, алюминий, листовое золото), расположена на расстоянии нескольких сотых долей мм от неподвижной металлической пластинки, к ним приложено высокое напряжение (600—800 V). Если напряжение меняется так, как меняется разговорный ток в усилителе, то легкая мембрана, вибрируя, дает звук. Преимущество этого громкоговорителя - возможность применять очень тонкие и легкие мембраны, так как по ним ток не передается; т. о., собственная частота мембраны м. б. сделана очень малой. Недостаток его - необходимость высокого напряжения и хорошей изоляции. При мембране в 400 см2, расстоянии пластин в 0,5 мм, постоянном напряжении в 1000 V и массе мембраны 2 г, громкоговоритель излучает постоянную звуковую мощность в 0,7·10–3 W в области частот приблизительно от 150 до 2500 пер/сек. (при переменном напряжении на его обкладках около 100 V). Массоле, Фогт и Энгль, разрабатывая говорящую фильму («Триергон»), конструировали электростатический громкоговоритель из трех слюдяных пластин, предназначенных каждая для воспроизведения различных областей частот; эти мембраны, для ослабления резонанса в данной области, были снабжены соответственно подобранными и наложенными на них эксцентрическими кольцами.

Аналогично работает громкоговоритель конструкции Рейца. Он состоит из тонкой резиновой мембраны, на одной стороне которой удерживаются клеем мелкие угольные зерна. Эти зерна служат одной из обкладок конденсатора; второй обкладкой является неподвижная металлическая пластина, помещенная на близком расстоянии от резиновой мембраны, со свободной от угля стороны. Под действием переменного напряжения той или иной частоты резиновая мембрана прогибается отдельными участками, в зависимости от массы зерен, находящихся на том или другом ее участке. Этот тип электростатических громкоговорителей работает при дополнительном постоянном напряжении 100—300 V.

На электростатическом же принципе германской фирмой Хута сконструирован громкоговоритель, основанный на явлении Ионсена и Рабека, состоящем в том, что при высоких напряжениях проводник и полупроводник притягиваются друг к другу. Схема этого громкоговорителя дана на фиг. 9.

На электростатическом же принципе германской фирмой Хута сконструирован громкоговоритель, основанный на явлении Ионсена и Рабека

Мембрана М скреплена с металлической лентой В, лежащей на вращающемся на оси D агатовом валике А. К валику и ленте приложено постоянное напряжение Е, заставляющее ленту притягиваться к валику. Валик отчасти увлекает ленту и создает натяжение мембраны. Если через трансформатор Т передается от усилителя еще дополнительное напряжение, создаваемое разговорным током, то сила взаимного притяжения меняется; изменяется и сила трения между валиком и лентой, а вместе с тем меняется и сила, натягивающая мембрану, - т. о. мембрана начинает колебаться. Для увеличения звуковой отдачи громкоговоритель снабжают рупором. Недостаток такого громкоговорителя - непостоянство силы трения, зависящей от состояния трущихся поверхностей. Электростатические громкоговорители вообще широкого применения не имеют.

КПД громкоговорителя вообще мал - около 1—2%, причем большая часть энергии расходуется в электромагнитной части (около 76%) и меньшая (около 23%) - в акустической. Наибольшим КПД обладает безрупорный электродинамический громкоговоритель конструкции Риггера - в нем КПД доходит до 10%. Экспериментальные сравнения разных систем громкоговорителей показали, что этот громкоговоритель в настоящее время - лучший из громкоговорителей в отношении одинаковости передачи частот. Кривая распределения интенсивностей по частотам в громкоговорителе конструкции Риггера показана на фиг. 10.

Кривая распределения интенсивностей по частотам в громкоговорителе конструкции Риггера

В отношении чистоты передачи безрупорные громкоговорители вообще превосходят рупорные. Но так как безрупорные громкоговорители оказываются менее мощными, более сложными по конструкции и более дорогими, то в настоящее время много внимания уделяется разработке рупорных систем громкоговорителей.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.

Еще по теме: