Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Частотная характеристика в области низших частот в огромной степени зависит от резонансных свойств подвижной системы громкоговорителя. Диффузор, звуковая катушка, центрирующая шайба образуют самую настоящую колебательную систему, своего рода гитарную струну. Частота собственных колебаний этой «струны» обычно лежит в пределах 30—300 гц. Если подвести к громкоговорителю переменный ток сложной формы, то подвижная система за счет резонанса будет подчеркивать те составляющие этого тока, частота которых равна частоте собственных колебаний. Поэтому в районе резонансной частоты (частота собственных колебаний) будет некоторый подъем частотной характеристики (рис. 14, 6). Такой подъем иногда полезен (рис. 33).
рис. 14, 6
Однако у этой красивой медали, как и у всякой другой, есть и обратная сторона. После резонанса появляется своего рода обрыв на частотах ниже резонансной, — громкоговоритель практически перестает работать. Вот почему при выборе низкочастотных громкоговорителей стараются подобрать экземпляр с самой низкой резонансной частотой и сместить завал частотной характеристики как можно левее, в область низших частот.
Но и это еще не все.
Резко выраженный резонанс подвижной системы — явление неприятное, и его стараются приглушить, даже если он попадает на самые низшие частоты. При воспроизведении реальных звуков — речи и музыки — громкоговоритель почти все время работает в импульсном режиме, воспроизводит звуковые импульсы, толчки. После каждого такого толчка подвижная система будет некоторое время совершать свободные колебания (вспомните кинофильм о колебаниях струны) и излучать при этом свои собственные призвуки (рис. 25).
Рис. 25. В громкоговорителе с сильно выраженными резонансными свойствами под действием импульсных сигналов возникают свободные колебания диффузора, появляются посторонние призвуки и, следовательно, увеличиваются нелинейные искажения.
Чтобы избавиться от этого неприятного явления или, по крайней мере, ослабить его, подвижную систему стараются демпфировать — создать в ней дополнительные потери энергии и резко сократить время свободных колебаний. Демпфирование осуществляется несколькими путями и в том числе с помощью так называемого внешнего оформления громкоговорителя — ящиков, футляров, щитов и т. п.
Чтобы улучшить демпфирование, можно также зашунтировать звуковую катушку. При этом, чем меньше шунтирующее сопротивление (рис. 30, 7, а), тем больше потери в колебательной системе, тем хуже ее резонансные свойства, тем, следовательно, лучше демпфирование. Правда, всякий посторонний шунт наряду с полезным делом — демпфированием — будет приносить заметный вред: отбирать мощность, предназначенную для звуковой катушки. Здесь напрашивается такой вывод: не включать отдельный «пожиратель» колебательной энергии, а подобрать источник сигнала таким образом, чтобы он сам сильно шунтировал звуковую катушку своим выходным сопротивлением.
Мы увидим дальше, что источником сигнала для громкоговорителя почти всегда является ламповый или транзисторный усилитель. Среди прочих характеристик такого усилителя важное значение имеет его выходное сопротивление.
Чем меньше это сопротивление, тем лучше демпфирован громкоговоритель, подключенный к усилителю (рис. 25). Качество работы громкоговорителя в большой степени зависит от центровки звуковой катушки. Даже незначительная асимметрия, небольшое смещение оси значительно повышает все виды искажений, не говоря уже о том, что может вызвать «затирание» витков о фланцы магнитной системы (рис. 14, 1, г).
рис. 14, 1, г
Центровка звуковой катушки осуществляется с помощью эластичной гофрированной шайбы из пропитанного лаком шелковистого материала. Иногда встречаются и другие типы центрирующих шайб (рис. 14, 1, в).
рис. 14, 1, в
Коэффициент нелинейных искажений для конкретных типов громкоговорителей в таблицах не указывают. Предполагается, что для любого динамического громкоговорителя при номинальной мощности коэффициент Кн.и на средних частотах составляет 5 %, на высших — 3 %, а на низших частотах — 7 % и даже 10 %. Эти данные соответствуют номинальной мощности громкоговорителя.
Считается, что повышенные искажения на низших частотах малозаметны. Основания для такого на первый взгляд странного вывода дает статистика. Оказывается, что в реальном случае при воспроизведении музыки и речи мощность низкочастотных составляющих в среднем сравнительно невелика, сами по себе они редко выходят на нелинейные участки амплитудной характеристики.
В табл. 8 приведена величина сопротивления звуковой катушки громкоговорителя на частоте 1000 гц (zзв-1000). Эта оговорка нужна потому, что полное сопротивление катушки z носит сложный характер: в нем отражены затраты энергии на излучение звука, учтено индуктивное сопротивление катушки xL, потери в проводе Rзв и другие виды потерь. Некоторые из этих составляющих сильно зависят от частоты и могут меняться в несколько раз (рис. 14, 4).
рис. 14, 4
Вот почему, называя величину сопротивления катушки, приходится указывать, к какой частоте оно относится. Кстати, если вам попадется громкоговоритель, данных которого нет в таблице, то величину zзв-1000 можно приближенно определить самому. На средних частотах и на частоте 1000 гц полное сопротивление zзв обычно на 10–20 % больше активного сопротивления провода Rзв, а эту величину можно измерить омметром. В дальнейшем, смирившись с некоторой неточностью, будем считать, что полное сопротивление равно активному Rзв.
Важная характеристика громкоговорителя — его номинальная (это слово имеет примерно тот же смысл, что и «нормальная», «расчетная») электрическая мощность Рзв. ном — мощность, которая находится на границе допустимых нелинейных искажений. Если подвести к громкоговорителю мощность Рзв больше номинальной (рис. 26), то колебания диффузора попадут в область сильной нелинейности и Кн.и превысит допустимую величину (5–7 %). И наоборот, если подводимая мощность меньше номинальной, то и нелинейные искажения значительно меньше допустимых.
Рис. 26. Мощность, подводимая к громкоговорителю, не должна превышать его номинальной мощности, так как при перегрузке резко возрастают нелинейные искажения.
Вы уже, очевидно, обратили внимание, что в табл. 8 мощность указана не в привычных единицах — ваттах (вт), а в незнакомых нам пока единицах — вольтамперах (ва). Прежде чем говорить о различии этих единиц мощности, отметим их сходство.
Как известно, мощность Р — это произведение напряжения U на ток I. Мощность, потребляемая громкоговорителем Pзв — это произведение напряжения, подведенного к звуковой катушке, Uзв на величину тока в ней Iзв (рис. 30, 8).
рис. 30, 8
Если напряжение равно 1 в, а ток 1 а, то мощность равна 1 вт, то есть количественно вольт, умноженный на ампер (вольтампер), равен ватту. Зачем же, спросите вы, пользоваться двумя равными по величине единицами? Недостаточно ли одной? Две единицы — вт и ва — введены для того, чтобы показать некоторое качественное отличие, показать, что существуют два сорта мощности: активная мощность (измеряется в ваттах) и реактивная мощность (измеряется в вольтметрах).
Активная мощность — это то, что громкоговоритель забирает навсегда: она затрачивается на излучение звуковых волн, на нагрев провода катушки, то есть эта мощность расходуется необратимо. Примером реактивной мощности может служить то, что «забирает» собственное магнитное поле катушки. Слово «забирает» мы взяли в кавычки потому, что магнитное поле навсегда электрической мощности не потребляет. Когда переменный ток нарастает, то он затрачивает энергию на создание магнитного поля. Но оно полностью возвращает «долг», когда ток начинает уменьшаться. Итак, реактивная мощность не расходуется, а просто перекачивается от генератора к нагрузке — в нашем примере к звуковой катушке и обратно. Реактивная мощность зависит от реактивного (в нашем случае индуктивного) сопротивления и меняется с частотой.
