8.2.3 Основные конструкции громкоговорителей и телефонов

Существует три основных конструкции телефонов.

Электромагнитные телефоны. Они применяются в телефонных аппаратах и переговорных устройствах. Принцип их действия заключается в следующем. На постоянный магнитный поток системы, состоящей из постоянного магнита 5 и магнитопровода 6 (полюсных наконечников), накладывается переменный поток звуковой частоты, создаваемый надетыми на магнитопровод катушками 7, к которым подводится напряжение звуковой частоты (рис.8.5 а). Перед полюсными наконечниками располагается ферромагнитная мембрана 4. Под воздействием постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих мембрану, последняя колеблется в такт с переменным магнитным потоком и излучает акустическую волну, проходящую через отверстия 3 в крышке 2 и поступающую в ухо. В результате возникает ощущение звука.

Такую конструкцию имеют телефоны типа ТА-4, ТК-47, ДЭМК-6А.

Электродинамические телефоны. Такие телефоны построены на электродинамическом принципе и имеют следующую конструкцию (рис.8.5 б). На постоянный магнит 5 надевается катушка 7, которая скреплена с упругой мембраной 4. При подаче на катушку переменного напряжения звуковой частоты, она начинает колебаться в магнитном поле постоянного магнита. Колебания катушки приводят к механическому движению мембраны, которая излучает акустическую волну, проходящую через отверстия 3 в крышке 2 и поступающую в ухо. В результате возникает ощущение звука.

Такую конструкцию имеют телефоны типа ТДК-1.

Более совершенным вариантом электродинамического телефона является изодинамический телефон. Он состоит из магнитной системы и диафрагмы (рис.8.5 г). Оригинальная магнитная система в свою очередь состоит из дискообразных постоянных магнитов 5, намагниченных так, что каждый из них имеет три пары полюсов (рис.8.5 д). Например, центральная часть, ограниченная окружностью, имеет полярность N, следующая кольцевая - полярность S, а наружная кольцевая - полярность N. Таким образом, на поверхности магнита проходят два радиальных потока. Также намагничен и второй магнит. Магниты по всей плоскости перфорированы для того, чтобы обеспечить проход звука через отверстия 3 при колебаниях диафрагмы 4 из синтетической пленки, натянутой между магнитами 5 на равных расстояниях от поверхности каждого из них. На пленку 4 нанесен проводник 11 в виде спирали (рис.8.5 е). В том месте, где встречаются противоположно направленные потоки (окружность, проходящая через точку А), витки спирали начинают идти в противоположном направлению. Следовательно, сохраняется взаиморасположение магнитного поля и электрического тока. Диафрагма изодинамического телефона возбуждается по всей поверхности, поэтому эффективность его очень высокая, и он имеет весьма равномерную частотную характеристику и малые линейные искажения.

Такую конструкцию имеет телефон типа ТДС-1.

Пьезоэлектрический телефон. В таких телефонах используются пьезоэлектрические синтетические пленки толщиной от 8 до 30 мкм, или пластинку из пьезокерамики 9, которую связывают с упругой мембраной 4 с помощью соединителя 10 (рис.8.5 в). При подаче переменного напряжения звуковой частоты на пьезоэлемент 9 он претерпевает механические изменения под действием обратного пьезоэлектрического эффекта и передает свои колебания упругой мембране 4, которая излучает акустическую волну, проходящую через отверстия 3 в крышке 2 и поступающую в ухо. В результате возникает ощущение звука.

Такую конструкцию имеют сигнальные устройства типа ЗП-1, ЗП-3 или Buzzer.

В отличие от телефонов громкоговорители имеют вместо мембраны дополнительное устройство – диффузор или рупор для эффективного усиления звука. Наибольшее распространение получили электродинамические диффузорные громкоговорители и рупорные громкоговорители.

Диффузорные электродинамические громкоговорители. В диффузорном громкоговорителе диффузор, входящий в его механическую подвижную систему, выполняет функцию преобразования механических колебаний в акустические и излучение звука. Процесс излучения достаточно прост: при своих колебаниях диафрагма приводит в движение частицы, прилегающие к ней воздуха, создавая попеременно его сжатие и разрежение. Колебания этих частиц передаются соседним слоям воздуха и т.д., создаются волны сжатия и разрежения, которые движутся со скоростью звука вдаль. Динамический громкоговоритель с кольцевым магнитом имеет подвижную систему, состоящую из диффузора 9, к вершине которого приклеен каркас звуковой катушки 1 (рис.8.6). Основание диффузора заканчивается гофрированным подвесом 10. Он предназначен для облегчения осевого и радиального перемещения диффузора. Плоский воротник на краю гофра прикрепляется к ободу металлического каркаса – диффузородержателя 8. Диффузородержатель 8 жестко соединяется с магнитной системой, включающей кольцевой постоянный магнит 2, два фланца 3 и керн 6. Один конец керна 6 запрессовывается в нижний фланец 3, а между вторым концом керна и верхним фланцем 3 возникает магнитный зазор, в который помещается звуковая катушка 1. К каркасу катушки или к вершине диффузора приклеивается гофрированная шайба 7, края которой прикрепляются к диффузородержателю 8. Выводы звуковой катушки приклеиваются к каркасу катушки 1 и диффузору 9 и через переходные контакты соединяются гибкими проводниками 5 с выходными контактами, закрепленными на диффузородержателе через резиновые втулки 4.

При пропускании через звуковую катушку переменного напряжения звуковой частоты она начинает колебаться, приводя в движение диффузор. В результате диффузор является поршневым излучателем и имеет только осевую степень свободы. Для того чтобы диффузор не изгибался, как мембрана ему придают форму усеченного кругового или эллиптического конуса. Тем не менее, на высоких частотах диффузор, изгибаясь, колеблется как мембрана, что создает стоячие волны по радиусам диффузора, и которые воспринимаются слушателем как искажения звука.

Механическая колебательная система имеет резонансную частоту ω_М, которая определяется из соотношения:

(8.1)

где С_М – гибкость системы;

m - масса подвижной системы.

Ниже частоты механического резонанса среднее звуковое давление громкоговорителя резко падает. Реально частоту механического резонанса не удается уменьшить ниже 60…70 Гц, поэтому нижняя частота воспроизводимых частот обычно выше 50…60 Гц.

Частоту, выше которой диффузор колеблется как мембрана, можно повысить утолщением стенок диффузора с уменьшением их толщины к периферии и кольцевой гофрировкой диффузора. Другой способ – применение дополнительного, более жесткого конуса, который вставляется внутрь диффузора. В этом случае диффузор передает эффективно низкие частоты, а жесткий конус – верхние. Реально верхняя граница воспроизводимых частот громкоговорителя составляет 10…12 кГц.

Для расширения диапазона воспроизводимых частот используют два диффузора. Первый диффузор 9 обычный, а второй диффузор 11 имеет меньший угол растра и более жесткий, поэтому он эффективно воспроизводит высокие частоты. Первый диффузор более гибкий, кроме того, наличие второго диффузора увеличивает массу его подвижной системы, что снижает частоту механического резонанса и нижний диапазон воспроизводимых частот.

Рупорный громкоговоритель. Основным недостатком диффузорных громкоговорителей является их чрезвычайно низкий к.п.д. Причина заключается в несогласованности сопротивлений механической системы и окружающей среды. Для повышения сопротивления излучения нужно увеличивать размеры излучателя, но это влечет за собой рост механического сопротивления массы излучателя и не дает выигрыш в к.п.д. Поскольку диффузор выполняет две функции: преобразования механических колебаний в акустические и излучении этих колебаний в окружающую среду, то разрешить такое противоречие можно только разделением этих функций, которое осуществляется в рупорных громкоговорителях (рис.8.7). Рупор служит также для согласования сопротивлений механической системы и окружающей среды. Рупором 2 называют трубу с переменным сечением. Входное отверстие рупора 4 (горло) меньше, чем выходное 3 (устье). Выходное отверстие является излучателем, а входное – нагрузкой для подвижной механической системы 1. Таким образом, излучатель может быть достаточно большим, а механическая система - достаточно легкой.

Недостатком рупорных громкоговорителей являются значительные нелинейные искажения.