Преобразование электрического сигнала в звук электродинамической головкой громкоговорителя (ГГ) происходит благодаря перемещению катушки с током в магнитном поле постоянного магнита с последующим преобразованием механических колебаний в колебания окружающего воздуха с помощью диффузора [1, с. 7, 8]. Подвижная система преобразователя содержит звуковую катушку, диффузор, подвес, центрирующую шайбу. На катушку с током в магнитном поле действует сила, пропорциональная току, в результате чего катушка смещается на определённое расстояние от положения устойчивого равновесия.
Центрирующая шайба вместе с подвесом действуют как механизм, который пытается вернуть катушку в положение устойчивого равновесия после смещения её под действием тока [2].
Колебания составляющих подвижной системы - нелинейные. Нелинейными являются и электромеханические преобразования колебаний катушки в магнитном поле. В каждой конкретной конструкции ГГ подбирают параметры так, чтобы минимизировать амплитуды вторых и третьих гармоник и линеаризовать характер изменения амплитуд первых гармоник [1, с. 126].
Одна из причин брака при сборке подвижной системы ГГ - слишком глубокая или, наоборот, слишком мелкая посадка катушки, что снижает уровень звукового давления и увеличивает нелинейные искажения [1, с. 222]. Далеко не всегда положение устойчивого равновесия катушки соответствует расчётам, и качество преобразования не достигает возможного уровня.
В большинстве преобразователей катушку двигают лишь против возвращающих сил центрирующей шайбы и подвеса и не контролируют положение катушки или не пытаются точно её расположить. Некоторые конструкции преобразователей имеют такую возможность (как правило, это сервомеханизмы); они в основном используются только в низкочастотных громкоговорителях, особенно в сабвуферах, из-за сильно увеличенных отклонений диффузоров, необходимых на тех частотах, на которых размер диффузора значительно меньше длины волны некоторых воспроизводимых звуков (ниже 100 Гц или около того) [2].
Некоторые активные сабвуферы используют сервомеханизм обратной связи, который модифицирует сигнал, поступающий к катушке [3]. Сигнал обратной связи получают, сравнивая входной сигнал до усилителя с сигналом от фактического движения диффузора. Обычно в качестве источника сигнала обратной связи используют несколько витков катушки, прикреплённой к диффузору.
Смещение центрирующей шайбы от оптимального положения устойчивого равновесия ("провисание") может приводить к дополнительным искажениям. Это требует соответствующей корректировки при сборке подвижной системы, например, некоторого сдвига плоскости приклейки подвеса [4]. Однако эти меры не гарантируют достижения желаемого положения устойчивого равновесия. Кроме того, со временем свойства элементов преобразователя могут измениться, например, центрирующая шайба снова "провиснет". И повторная корректировка положения устойчивого равновесия вне рамок производства, в условиях обычной эксплуатации, встречает определённые трудности.
Между тем корректировать положение устойчивого равновесия звуковой катушки в магнитном зазоре возможно без вмешательства в конструкцию ГГ. Для этого во время работы ГГ достаточно подать в катушку постоянный ток определённого значения и направления.
Возможности этого способа демонстрирует пример уменьшения коэффициента гармонических искажений (КГИ) громкоговорителей стереопары в области частоты основного резонанса. Корректировалась величина КГИ для ГГ 3ГД-45 в акустическом оформлении "закрытый ящик". Частотная зависимость КГИ одной из ГГ до коррекции приведена на рис. 1. Как оказалось, уровень искажений существенно снижается при подаче в звуковую катушку вместе с тестовым сигналом постоянного тока -0,25 А. Знак "-" означает, что полярность тока противоположна полярности, обозначенной у контактов ГГ, - под действием этого тока звуковая катушка втягивается в магнитный зазор. В результате такой коррекции положения катушки в зазоре частотная зависимость КГИ приобрела вид, приведённый на рис. 2. Из сравнения изображений на рис. 1 и рис. 2 видно, что уровень гармоник существенно снизился. Так, максимальное значение КГИ снизилось с 27,2 % (на частоте 54 Гц) до 12,8 % (на частоте 36 Гц). Нижняя граница КГИ по уровню 5 % уменьшилась со 121 Гц до 59 Гц. На частоте 60 Гц КГИ уменьшился с 22,4 % до 4,92 %, т. е. в 4,55 раза. При этом мощность, рассеиваемая в ГГ, возросла всего на 0,25 Вт, что на порядок ниже его номинальной мощности.
Рис. 1. Частотная зависимость КГИ одной из ГГ до коррекции
Рис. 2. Частотная зависимость КГИ одной из ГГ после коррекции
С изменением положения устойчивого равновесия катушки изменяется не только уровень искажений, но и характер АЧХ. На рис. 3 представлены АЧХ ГГ без подачи постоянного тока в звуковую катушку (красная кривая) и при подаче в катушку постоянного тока -0,25 А (зелёная кривая). В этом случае, как видно на рис. 3, АЧХ изменилась незначительно: немного снизилась частота основного резонанса и немного снизилось звуковое давление на частотах выше частоты основного резонанса.
Рис. 3. АЧХ ГГ без подачи постоянного тока в звуковую катушку (красная кривая) и при подаче в катушку постоянного тока -0,25 А (зелёная кривая)
У другой ГГ рассматриваемой стереопары искажения до коррекции оказались значительно меньше (рис. 4). И снизить уровень КГИ удалось сравнительно немного при подаче в звуковую катушку тока - 0,06 А (рис. 5).
Рис. 4. КГИ ГГ рассматриваемой стереопары до коррекции
Рис. 5. КГИ ГГ рассматриваемой стереопары после коррекции
В результате проведённой коррекции кривые КГИ обеих ГГ заметно сблизились, что характерно для ГГ одного типа при оптимальном расположении звуковых катушек в магнитном зазоре.
Схема установки для проведения измерений приведена на рис. 6. Постоянный ток в звуковую катушку громкоговорителя BA1 подавался посредством резистора R1*, включённого параллельно разделительному конденсатору C1 на выходе усилителя, собранного на микросхеме DA1 (TDA2004). Все акустические измерения проводились в ближнем поле [5].
Рис. 6. Схема установки для проведения измерений
В рассматриваемом способе коррекции параметров электродинамических ГГ используется дополнительный источник постоянного тока, настраиваемый под конкретную ГГ, что удобнее всего реализовать в активных акустических системах.
Литература
1. Алдошина И. А. Электродинамические громкоговорители. - М: Радио и связь, 1989.
2. Electrodynamic speaker driver. - URL: https: / /en.wikipedia.org/wiki/ Electrodynamic_speaker_driver (24.04.21).
3. Subwoofer. - URL:https://en. wikipedia.org/wiki/Subwoofer (24.04.21).
4. Алдошина И. Статья "Громкоговорители, часть 3.2". - URL: http://www.moinf.info/ articles/loudspeakers-3-2 (24.04.21).
5. Keele D. B., jr. Low-Frequency Loudspeaker Assessment by Nearfield Sound-Pressure Measurement. - URL: https://www.pear!-hifi.com/06_Lit_Archive/14_Books_Tech_ Papers/Keele_D_B/LF_Near-field_ Measurement.pdf (24.04.21).
Автор: Л. Костырко, г. Чернигов, Украина