Электрические характеристики динамических громкоговорителей

Основной электрической характеристикой динамического громкоговорителя является динамика его электрический импеданс как функция частоты . Это можно визуализировать, построив график в виде кривой импеданса.

Объяснение

Наиболее распространенным типом драйвера является электромеханический преобразователь, в котором используется звуковая катушка, жестко соединенная с диафрагмой (обычно с конусом ). Другие типы имеют аналогичные связи, хотя и отличаются в деталях, между акустической средой и электрическими свойствами.

Звуковая катушка в драйверах с подвижной катушкой подвешена в магнитном поле, создаваемом конструкцией громкоговорителя магнитной . Когда электрический ток протекает через звуковую катушку (от электронного усилителя ), магнитное поле, создаваемое катушкой, реагирует на фиксированное поле магнита и перемещает звуковую катушку (и, следовательно, диффузор). Переменный ток будет перемещать конус вперед и назад.

Резонанс

Подвижную систему громкоговорителя, состоящую из диффузора, подвески конуса, крестовины и звуковой катушки, можно смоделировать как эффективную массу (система пружина-масса) , массу, подвешенную на пружине. Эта система имеет характерную массу и жесткость , а также резонансную частоту, на которой система будет свободно вибрировать.

Эта частота известна как «резонанс свободного пространства» громкоговорителя и обозначается F _s . На этой частоте звуковая катушка вибрирует в магнитном поле динамика с максимальной размахом амплитуды и скорости . создаваемая Обратная ЭДС, этим движением, также максимальна. Электрический импеданс динамика зависит от противоЭДС и, следовательно, от приложенной частоты. Импеданс достигает максимума при F _s , что обозначено как Z _max на графике .

Для частот чуть ниже резонанса импеданс быстро возрастает по мере увеличения частоты до F _s и носит индуктивный характер. При резонансе импеданс чисто резистивный . Когда частота увеличивается выше F _s , импеданс падает — он ведет себя емкостно . Импеданс достигает минимального значения Z _min на некоторой частоте, где в некотором диапазоне поведение является довольно резистивным . сопротивление динамика Номинальное или номинальное ( Z _nom ) получается из этого значения Z _min , которое объясняется выше.

За точкой Z _min импеданс снова становится в значительной степени индуктивным и продолжает постепенно увеличиваться с частотой. Частота F _s и частоты выше и ниже нее, где импеданс равен ⁠ 1 / √ 2 ⁠ Z _max громкоговорителя важны при определении параметров T/S . Их можно использовать, например, для разработки подходящего корпуса для драйвера, особенно для низкочастотных драйверов. Фактически F _s сам по себе является одним из параметров Тиле/Смолла.

Сопротивление нагрузки и усилители

Изменение импеданса громкоговорителя необходимо учитывать при проектировании усилителя звука . Помимо прочего, усилители, рассчитанные на такие изменения, более надежны. При подключении динамика к усилителю следует учитывать два основных фактора.

Минимальное сопротивление

Это минимальное значение зависимости импеданса от частоты, которое всегда выше, чем сопротивление звуковой катушки по постоянному току, т. е. измеренное омметром . Минимальное сопротивление имеет большое значение, поскольку чем ниже сопротивление, тем выше должен быть ток при том же напряжении возбуждения. Выходные устройства усилителя рассчитаны на определенный максимальный уровень тока, и когда он превышается, устройства иногда более или менее быстро выходят из строя.

Номинальное сопротивление

Из-за реактивного характера импеданса динамика на частотах звукового диапазона, дать динамику одно значение для номинала «импеданса» в принципе невозможно, как можно предположить из приведенной выше кривой зависимости импеданса от частоты. Номинальное сопротивление громкоговорителя — это удобное одночисловое обозначение, которое в общих чертах описывает значение импеданса громкоговорителя в большей части звукового диапазона. Номинальное сопротивление динамика определяется как:

Z_{\mathrm {nom} }=1.15\cdot Z_{\mathrm {min} }

На графике показана кривая импеданса одного динамика громкоговорителя на открытом воздухе (не смонтированного в корпусе любого типа). Домашняя акустическая система Hi-Fi обычно состоит из двух или более динамиков, электрической кроссоверной сети для разделения сигнала по полосам частот и направления его соответствующим образом к динамикам, а также корпуса, в котором установлены все эти компоненты. Кривая импеданса такой акустической системы система может быть очень сложной, и простую формулу, приведенную выше, применить не так легко.

Номинальное сопротивление потребительских акустических систем может помочь в выборе правильного громкоговорителя для данного усилителя (или наоборот). Если для домашнего усилителя Hi-Fi предусмотрена нагрузка 8 Ом или выше , следует позаботиться о том, чтобы не использовались громкоговорители с более низким импедансом, чтобы усилителю не пришлось вырабатывать больший ток, чем он рассчитан. Использование акустической системы с сопротивлением 4 Ом на усилителе с сопротивлением 8 Ом или выше может привести к выходу усилителя из строя.

Фазовый угол импеданса

Изменения импеданса нагрузки в зависимости от частоты приводят к изменению фазового соотношения усилителя между выходным напряжением и током . Для резистивной нагрузки обычно (но не всегда) напряжение на выходных устройствах усилителя максимально, когда ток нагрузки минимален (а напряжение на нагрузке минимально) и наоборот, и, как следствие, рассеиваемая мощность в этих устройствах меньше всего. Но из-за сложного и переменного характера нагрузки драйвера/кроссовера и ее влияния на фазовое соотношение между напряжением и током ток не обязательно будет минимальным, когда напряжение на выходных устройствах максимальное - это приводит к увеличению рассеивание мощности в выходном каскаде усилителя, проявляющееся в нагреве выходных устройств. Фазовый угол наиболее сильно меняется вблизи резонанса в громкоговорителях с подвижной катушкой. Если этот момент не принять во внимание при проектировании усилителя, усилитель может перегреться, что приведет к его отключению, или вызвать выход из строя выходных устройств. Видеть Коэффициент мощности подробнее.

Проблемы с демпфированием

Громкоговоритель действует как генератор, когда катушка движется в магнитном поле. Когда катушка громкоговорителя перемещается в ответ на сигнал усилителя, катушка генерирует обратную ЭДС, которая противодействует сигналу усилителя и действует как «тормоз», останавливая движение катушки. Эффект торможения имеет решающее значение для конструкции динамика, поскольку дизайнеры используют его, чтобы динамик быстро прекратил издавать звук и чтобы катушка находилась в положении для воспроизведения следующего звука. Электрический сигнал, генерируемый катушкой, возвращается по кабелю динамика к усилителю. Хорошо спроектированные усилители имеют низкий выходной импеданс, поэтому генерируемый сигнал оказывает минимальное влияние на усилитель.

Характерно, что твердотельные усилители имеют гораздо более низкое выходное сопротивление, чем ламповые усилители. Настолько настолько, что различия на практике между драйвером с номинальным сопротивлением 16 Ом и динамиком с номинальным сопротивлением 4 Ом не были достаточно важными, чтобы их можно было учитывать. усилителя Коэффициент демпфирования , который представляет собой отношение номинального сопротивления нагрузки (звуковой катушки драйвера) к выходному сопротивлению усилителя, достаточен в любом случае для хорошо спроектированных полупроводниковых усилителей.

Ламповые усилители имеют достаточно более высокие выходные импедансы, поэтому они обычно включают в себя многоотводные выходные трансформаторы для лучшего согласования с импедансом драйвера. Шестнадцать омных драйверов (или акустических систем) будут подключены к отводу 16 Ом, 8 Ом к отводу 8 Ом и т. Д.

Это важно, поскольку соотношение между импедансом громкоговорителя и импедансом усилителя на определенной частоте обеспечивает демпфирование (т.е. поглощение энергии) обратной ЭДС, генерируемой динамиком. На практике это важно для предотвращения звона или нависания , которые, по сути, представляют собой свободную вибрацию движущихся структур драйвера, когда он возбуждается (т. е. управляется сигналом) на этой частоте. Это хорошо видно на графиках измерения водопада . Правильно настроенный коэффициент демпфирования может контролировать эту свободную вибрацию движущихся конструкций и улучшить звук водителя.

См. также

Параметры Тиле/Малые

Ссылки

^ Дэвис и Джонс, стр.205.

Дальнейшее чтение

Проектирование, сборка и тестирование собственной акустической системы по проектам Дэвида Б. Уимса (McGraw-Hill/TAB Electronics, ISBN 0-07-069429-X )
Громкоговорители динамические, магнитные структуры и импеданс стандарт EIA RS-299-A

Внешние ссылки

[Davis&Jones,_p.205-1] Дэвис и Джонс, стр.205.

[1]