Типы громкоговорителей и принципы их работы
Громкоговорители являются устройствами, преобразующими электрические сигналы в акустические колебания, способные восприниматься человеческим слухом. Их работа основана на принципах электромеханического преобразования энергии. Основными типами громкоговорителей по физическому принципу действия являются:
Электродинамический громкоговоритель
Наиболее распространённой конструкцией является электродинамический громкоговоритель. Его основными элементами являются:
Под действием переменного тока, протекающего по катушке, согласно закону Ампера, на неё действует сила Лоренца. Эта сила вызывает перемещение катушки и, соответственно, колебания диффузора. Диффузор, взаимодействуя с окружающим воздухом, возбуждает в нём звуковые волны. Таким образом осуществляется преобразование электрической энергии в акустическую.
Электростатический громкоговоритель
В электростатических громкоговорителях используется тонкая диэлектрическая мембрана, помещённая между двумя перфорированными электродами. На мембрану подаётся постоянное напряжение, а на электроды — переменное. В результате на мембрану действует переменная электростатическая сила, вызывающая её колебания. Преимуществами этого типа являются высокая линейность и малые искажения, но он требует высокого питающего напряжения и обычно имеет ограниченную амплитуду перемещения мембраны.
Пьезоэлектрические громкоговорители
Основой пьезоэлектрических излучателей служат кристаллы или керамические материалы, обладающие пьезоэффектом. При подаче переменного напряжения на такие элементы происходит их деформация, что вызывает колебания и, следовательно, излучение звука. Эти громкоговорители широко применяются в миниатюрных устройствах, но характеризуются узкой полосой пропускания и ограниченной амплитудой излучения.
Ленточные громкоговорители
Ленточные громкоговорители используют лёгкую алюминиевую или металлическую ленту, помещённую в магнитное поле. Электрический сигнал подаётся непосредственно на ленту, которая под действием силы Лоренца начинает колебаться. За счёт малой массы ленты достигается высокая точность воспроизведения, особенно в области высоких частот.
Рупорные громкоговорители
Рупорный излучатель представляет собой комбинацию первичного источника звука (часто динамического типа) и рупора, усиливающего звуковое давление. Рупор выполняет роль акустического трансформатора, согласующего сопротивление излучающего элемента с сопротивлением окружающего воздуха. Это увеличивает эффективность преобразования энергии и позволяет направленно распространять звук. Рупорные системы часто используются в условиях открытых пространств и в профессиональной звукоусилительной аппаратуре.
Изодинамические громкоговорители
Изодинамический (или магнитопланарный) громкоговоритель сочетает принципы ленточного и динамического преобразования. В нём используется мембрана с напылённой токопроводящей дорожкой, помещённая в магнитное поле. Ток, проходящий по проводящему рисунку, взаимодействует с магнитным полем, вызывая колебания всей мембраны. Эти системы обеспечивают высокую точность звучания, особенно в области средних и высоких частот.
Основные характеристики громкоговорителей
Громкоговорители характеризуются рядом параметров, определяющих их акустические и электрические свойства. Наиболее важные из них:
1. Частотный диапазон
Диапазон частот, в пределах которого громкоговоритель способен воспроизводить звук с допустимыми отклонениями по уровню. Широкополосные громкоговорители покрывают большую часть слышимого диапазона (20 Гц – 20 кГц), тогда как специализированные (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные) работают в более узких диапазонах.
2. АЧХ (Амплитудно-частотная характеристика)
Показывает зависимость уровня звукового давления от частоты. Идеальная АЧХ — ровная, без провалов и пиков, но на практике форма АЧХ зависит от конструкции громкоговорителя и корпуса.
3. Чувствительность
Определяется как уровень звукового давления, создаваемый громкоговорителем при подаче на него сигнала мощностью 1 Вт, измеряемый на расстоянии 1 метра. Измеряется в дБ/Вт/м. Более высокая чувствительность означает большую громкость при той же подводимой мощности.
4. Импеданс
Комплексное сопротивление громкоговорителя переменному току. Обычно номинальное значение импеданса составляет 4, 6 или 8 Ом. Правильное согласование импеданса с усилителем критически важно для предотвращения искажений и выхода оборудования из строя.
5. Максимальная мощность
Характеризует предельную мощность сигнала, которую громкоговоритель может выдержать без повреждений и значительных искажений. Существует:
6. Направленность (диаграмма направленности)
Описывает зависимость звукового давления от направления в пространстве. На высоких частотах направленность выше. Диаграммы направленности могут быть круговыми, кардиоидными, двунаправленными и т.д. Этот параметр важен при проектировании акустических систем в помещениях и на открытых пространствах.
7. Коэффициент нелинейных искажений
Характеризует искажения формы сигнала, возникающие при преобразовании, и определяется как отношение амплитуды гармоник к амплитуде основного тона. Обычно выражается в процентах. Меньшие значения — признак более точного воспроизведения.
Акустическое оформление громкоговорителей
Звуковое излучение подвижной системы громкоговорителя происходит в двух направлениях: вперёд (через диффузор) и назад. Если не принять меры по разделению этих потоков, то из-за интерференции возможен спад эффективности излучения, особенно на низких частотах. Для решения этой задачи используются различные акустические оформления:
Параметры Тиле — Смолла
Современное проектирование громкоговорителей основано на использовании параметров Тиле — Смолла, позволяющих точно моделировать поведение низкочастотного звена. Ключевые параметры:
Эти параметры используются для расчёта оптимального объёма и конструкции акустического оформления.
Современные тенденции
В современном аудиотехнике всё чаще применяются:
Всё это способствует расширению функциональности, повышению точности и удобства применения громкоговорителей в самых разных условиях — от концертных залов до персонального прослушивания.