Громкоговорители и телефоны

Громкоговорители  и телефоны 

   Определение,  классификация,  параметры.   Громкоговоритель  (теле фон) -  прибор для преобразования электрических колебаний  в акустические  колебания воздушной  среды -  является последним  и од ним из наиболее важных звеньев любого акустического  тракта, так  как его свойства  оказывают чрезвычайно  большое влияние  на качество работы этого тракта в целом.

        По  способу преобразования  колебаний громкоговорители  и телефоны разделяются  на  электродинамические   катушечные  (подавляющее   число  типов   громкоговорителей),  электромагнитные (основное  число  телефонов),  электростатические, пьезоэлектрические и  некоторые  другие;  по  виду  излучения -  на громкоговорители непосредственного  излучения,  диффузорные  и  рупорные;  по  воспроизводимому  диапазону  -  на широкополосные, низко -,  средне -  и высокочастотные;  по  потребляемой  электрической   мощности на мощные и маломощные.

        Стандартом  ГОСТ  16122 - 78  установлены  определения параметров  громкоговорителей и относящихся  к ним  терминов. Приведем основные из них.

        Номинальная мощность  -  максимальная   подводимая  электрическая мощность,  ограниченная  тепловой   и механической  прочностью  громкоговорителя  и нелинейными  искажениями, превышающими  заданное  значение.  Обычно  оно меньше  паспортного. Громкоговоритель  не  должен  выходить  из  строя  при  длительном ее  воздействии.

      Частотная характеристика громкоговорителя по  звуковому давлению  -  зависимость звукового давления,  развиваемого громкоговорителем, в точке свободного  поля (находящейся  на определенном расстоянии  от рабочего   центра)  от частоты при  постоянном напряжении на зажимах громкоговорителя.

      Рабочий центр - обычно  геометрический центр симметрии выходного отверстия излучателя  Для сложных излучателей рабочий центр указывается в описании громкоговорителей.

       Неравномерность частотной характеристики и эффективно воспроизводимый диапазон частот определяются  по частотной характеристике, снятой на рабочей оси, которая обычно совпадает с геометрической осью излучателя, а для сложных излучателей указывается в описании.

        Среднее  стандартное звуковое  давление  (отдача) - среднее звуковое давление, развиваемое в диапазоне рабочих частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от громкоговорителя и 1 см от телефона при подведении к громкоговорителю электрической мощности 0,1 Вт, а к телефону - 1 мВт.

       Входное сопротивление громкоговорителя зависит от частоты, поэтому в справочниках приводится номинальное электрическое сопротивление - минимальный  модуль полного   электрического сопротивления  громкоговорителя в диапазоне частот выше частоты основного резонанса его механической колебательной  системы, при которой полное сопротивление достигает максимального значения.

       Характеристика направленности - зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем, в точках свободного поля, находящихся  на одинаковом расстоянии от рабочего центра, от угла между рабочей осью громкоговорителя и направлением на выбранную точку. Обычно эту характеристику нормируют к осевому звуковому давлению. Характеристика направленности  изменяется в зависимости от частоты, поэтому ее измеряют на ряде частот или в заданной полосе частот. Характеристику направленности, снятую в плоскости, называют диаграммой   направленности.

       Коэффициент осевой концентрации - отношение акустических мощностей ненаправленного и направленного излучателей при равенстве их осевых звуковых давлений.

       Коэффициент гармоник - отношение среднеквадратичного звукового давления гармоник  к среднему звуковому давлению измеряют для ряда заданных частот при подведении к громкоговорителю синусоидального напряжения, соответствующего номинальной мощности.

       Коэффициент полезного действия громкоговорителя в паспортных данных обычно не приводится. Вместо него указывают стандартное звуковое давление  или характеристическую  чувствительность, однозначно связанные между собой и с акустической мощностью. Если подвести к громкоговорителю  электрическую  мощность 0,1 Вт, то (согласно определению стандартного звукового давления) осевое  звуковое давление равно  стандартному,

       Характеристическая чувствительность - отношение среднего звукового давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии   1 м от рабочего центра,  к корню  квадратному из подводимой электрической мощности.

      Дребезжание - спектральные компоненты излучаемого громкоговорителем сигнала,  вызываемые механическими дефектами его конструкции и слышимые при его работе в номинальном  и эффективно воспроизводимом диапазонах  частот.      Установлены две категории телефонов: Н (нормальные) - для работы при температурах от  - 10 до +45'С и влажности до 90+ 3%; У   (устойчивые) - при  температурах  от  -50 до  + 50' С и  влажности до 95+3% . Полное электрическое сопротивление на частоте 1000 Гц должно быть  260±52Ом, хотя  допускаются и другие его значения.      Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц  не  должен превышать 5% при мощности 1 мВ  А.

      Габаритные размеры телефона не должны  превышать размеров  кругового цилиндра с диаметром основания 48мм и высотой 24,5 мм; диаметр слухового, отверстия - 13 мм.

        Нормы  на параметры громкоговорителей изложены в  ГОСТ  90!0 - 78. Громкоговорители (головки)  должны выдерживать  испытания  на теплоустойчивость до 60'С, на  влагоустойчивость  - до  93+-2% при 30'С, на холодостойкость - от - 20  до - 40'С, а так же на ударную устойчивость  ударную прочность и виброустойчивость. Стандартное звуковое давление на расстоянии  1 м   при мощности 0,1   Вт должно быть не менее  О,2 Па, за исключением громкоговорителей, используемых в закрытых    акустических системах  (см. ниже).  Частотная   характеристика должна соответствовать типовой с  допустимым отклонением +- 6 дБ. Если же типовая частотная характеристика не приводится, то допустимая неравномерность в номинальном диапазоне рабочих частот не должна превышать  14 дБ. 

       Предусмотрены следующие номинальные мощности: 0,1, 0,25;  0,5;  1,0;  2,0;  3,0;   4,0;  6,0; 8,0;  1О,О;  15,0; 2О,О;  25,0; 30,О;50,0 Вт  и независимо от этого ряда мощностей ряд  номинальных  сопротивлений: 2,4,8,15, 25, 5О,100,400,800 Ом. Допустимые отклонения от приведенных сопротивлений не превышают + 15; - 20%

        Громкоговорители не должны  дребезжать при подведении к ним  синусоидального сигнала номинальной  мощности  в диапазоне  от  минимальной частоты  основного резонанса до  наивысшей  частоты  номинального диапазона рабочих частот.

        У  одного  из  выводов  громкоговорителя  иногда- наносятся  знак полярности в виде точки, пукли или знака "+", который помогает  правильно осуществить параллельное соединение громкоговорителей. Обозначение громкоговорителя, например 1  ГД-3-100,  расшифровывается так: первая, цифра (1) - мощность, Вт; буквы  "ГД"   -  громкоговоритель  динамический;   вторая  цифра  (3) -  порядковый  номер  разработки;  последние   цифры  (100)   - значение  резонансной  частоты,  Гц. При  маркировке  нестандартных   громкоговорителей   добавляются  буквы,   указывающие  завод изготовитель (например :  3ГД-6 ВЭФ, 5ГД-3 РРЗ. Электростатические  громкоговорители   маркируются  тремя  буквами:   ГСВ   (громкоговоритель  статический   высокочастотный)   или  ГСШ   (громкоговоритель статический широкополосный),   характеризующими   тип,  и   цифрами,  обозначающими номер разработки (например, ГСВ-1, ГСЩ-1). 

        Международные нормы на высококачественные громкоговорители системы высокой верности  (НiFi) коротко формулируются так. Номинальный  диапазон рабочих  частот - 50 Гц...12 кГц. Частотная характеристика, снятая треть октавными полосами розового шума, должна укладываться  в  допустимую  область  с  неравномерностью не более 8 дБ в  диапазоне частот  100 Гц...4 кГц  и не более 12 дБ на частотах ниже 100 Гц и выше 4 кГц (розовый шум - шумовой сигнал, уровень спектральной плотности энергии которого при повышении частоты снижается с постоянной крутизной   3 дБ/окт, в диапазоне частот измерений; октава (окт) - диапазон частот, ограниченный значениями F_min и F_max   для   которого F_max /F_min = 2).Звуковое давление, приведенное к расстоянию   1 м,   при рабочей мощности  должно быть  не менее 1,2 Па  (96 дБ).  Коэффициент гармоник не должен превышать 3% в диапазоне частот 250 Гц...1 кГц при подводимом синусоидальном сигнале рабочей мощности, 2%  в диапазоне частот 1...2 кГц при подведении 1/2 мощности и1% в диапазоне частот 2...4 кГц при подведении 1/4 мощности. Частотные  характеристики, снятые пол углом 15° и  оси вверх, вниз, вправо,  влево, не должны отличаться от осевой характеристики при их совмещении больше чем на 4 дБ. Частотные характеристики громкоговорителей для  двух  каналов  стереофонической  установки  не  должны различаться более чем на 2 дБ. Рекомендуемые значения сопротивлений - 4 и 8 Ом.  

      Телефоны применяются в бытовой аппаратуре и связи. Стереофонические телефоны дают возможность полного разделении правого в левого каналов микрофон - усилитель - телефон -  ухо.

       Электромагнитные телефоны  (например, типа ТК-47) применяются в телефонных аппаратах и переговорных устройствах. Принцип действия: на постоянный магнитный поток системы,  состоящей  из постоянного магнита и магнитопровода (полюсных наконечников), накладывается переменный поток звуковой частоты, создаваемый надетыми на магнитопровод катушками, к которым подводится  напряжение звуковой частоты. Перед полюсными наконечниками находится ферромагнитная  диафрагма (мембрана). Под воздействием постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих  диафрагму, мембрана колеблется в такт с переменным магнитным потоком и излучает акустическую волну, поступающую в ухо.  В результате возникает ощущение звука.

             При одинаковом звуковом давлении (отдаче)  телефоны разного   сопротивления  имеют   разные  чувствительности.   Чтобы  сравнить  телефоны, вводят понятие приведенной чувствительности: Мпр=  Мт [Zт]/Zст, где  Мпр  -  приведенная   чувствительность  телефона,  Па/В;  Мт -  его  чувствительность  (отношение звукового  давления к  подводимому напряжению);  [Zт]  - модуль  его электрического  сопротивления;  Zст - стандартное сопротивление, которое  в телефонии принимается равным 600 Ом. Средняя чувствительность  телефона типа ТК-47 в диапазоне 300 Гц...3 кГц  составляет 15...-  17 Па/В, а сопротивление его катушек постоянному току - 130 Ом  В  переговорных устройствах  и на  радиостанциях в  основном  применяется  телефон  типа  ТА-4, частотная характеристика которого  более равномерна,  средняя чувствительность  в диапазоне  300 Гц...  4  кГц  составляет  3   Па/В   при сопротивлении  постоянному току  2,2  кОм  в  15 Па/В  - при  сопротивлении 65  Ом.   Более сложную  магнитную систему  имеет  телефон  типа  ДЭМК-6А.  Для  того чтобы  при  изменениях  атмосферного давления  его диафрагма  не прогибалась  внутрь  или  не  выпучивалась, телефон  снабжен керамической  пробкой, пропускающей   воздух, но не пропускающей   влагу.   Средняя  чувствительность  составляет  20  Па/В при сопротивлении постоянному току  130 Ом.   Несколько  отличается от  него   телефон типа  ДЭМК-7Т.  В  нем нет  керамической пробки, а в  основании проделан  ряд отверстий,  что придает его частотной  характеристике многорезонансный  характер,  как,  например,   у    телефона типа   ТА-4,  Электрические  эквивалентные  схемы    телефонов  типов   ДЭМК-6А  и  ТК-47 одинаковы.  При сравнительном рассмотрении   частотных  характеристик  чувствительности  перечисленных   телефонов  нужно  учитывать;  что они   не приведены  к   стандартному  сопротивлению  600 Ом н поэтому располагаются на равных уровнях.

        Для прослушивания радиопередач, звукового сопровождения  телепередач  и звукозаписи применяются стереофонические телефоны  в основном элек-

Рис. 1. Устройство телефона: 

а - тип ТДС-1 (1 - малый электродинамический громкоговоритель; 2 - корпус; 3 - решетка; 4 - мягкий амбушюр; 5 - контакт; 6 - звукопоглощающий материал); б - квадрофонический ( 1,2 - громкоговорители соответственно переднего и заднего каналов; 3 - амбушюр; 4 - корпус); в,г - изодинамический.

тродинамического  типа. Описание принципа действия  этого типа телефонов приводится ниже; в  качестве примера  приведем конструкцию телефона ТДС-1 (рис. 1, а). В корпусе  находится малый электродинамический громкоговоритель с диффузором или полусферической диафрагмой. Пространство между ним  и корпусом заполнено звукопоглощающим материалом (поролон).  Перед   громкоговорителем находится перферированная решетка.

К  краю  корпуса  примыкает  мягкий  амбушюр,  прилегающий   к  ушной  раковине. Пара  таких телефонов  позволяет получить высококачественное воспроизведение особенно низших  частот при  малой мощности,  обеспечивая хороший стереофонический эффект н довольно  надежно изолируя слушателя от внешних шумов, а окружающих от звуков воспроизведения. Устройства квадрафонического  телефона схематически показано на рис. 1 б. Его основным отличием является то, что на каждое ухо действуют два громкоговорителя. На рисунке приведены громкоговорители переднего и заднего  каналов, например правых каналов. Так же устроен телефон перед  него и заднего левых каналов. Преобразователи передних каналов  располагаются при надевании  наушников прямо против входа  в слуховые каналы, а задние смещены за ушную раковину, что не  сколько ослабляет высокие частоты. Иногда оба громкоговорителя  включаются через специальный электрический контур, позволяющий подчеркнуть низкие частоты для одного преобразователя и высокие для другого.

      Электродинамические  головные телефоны  построены на электродинамическом принципе, но без применения  громкоговорителей.  Наиболее- известный  из  них - изодинамический. Он состоит из  магнитной системы и диафрагмы. Оригинальная магнитная система, в свою очередь, состоит из двух дискообразных магнитов, например,  из феррита бария,  намагниченных так, что каждый из них имеет три  пары  полюсов.  Например,  центральная  часть,  ограниченная  окружностью,  имеет  полярность  N ,  следующая   кольцевая  -  S,  а наружная кольцевая -  N.  Таким образом,  по поверхности  магнита  проходят два  радиальных магнитных  потока. Так  же намагничен и второй магнит,  Магниты по всей плоскости перфорированы для того, чтобы обеспечить  проход звука   через отверстия  при  колебаниях  диафрагмы  из  синтетической  пленки,  натянутой  между магнитами   на равных  расстояниях от  поверхности каждого  из них. На пленку нанесен проводник в виде  спирали. В том месте,  где встречаются  противоположно направленные  потоки     (окружность, проходящая через  точку А), витки спирали  начинают идти в обратном направлении. Следовательно, сохраняется взаиморасположение магнитного поля и электрического тока. Диафрагма изодинамического телефона возбуждается по всей  поверхности, поэтому  он очень эффективен,  имеет  весьма равномерную частотную характеристику и ничтожные  линейные искажения.