> Техника, страница 40 > Громкоговоритель
Громкоговоритель
Громк0г0в0ритель, р е п р о д у кт о р. аппарат для громкого воспроизведения речи и музыки, передаваемых радиовещательными станциями. Т. к. человеческое ухо способно улавливать малейшие искажения звука, то к Г. должны быть предъявлены весьма строгие требования. Для точной репродукции звука необходимо соблюдение следующих уел ови ii.
1) Точное воспроизведение всех обертонов. входящих в состав звука, с сохранением их относительных интенсивностей, и отсутствие каких-либо добавочных тонов, могущих быть внесенными самим громкоговорительным устройством. Особенно важно точное воспроизведение высоких звуковых частот, от которых сильно зависит ясность речи.
2) Громкость звука, даваемого Г., не должна значительно превышать громкость воспроизводимого звука; иначе звук искажается вследствие неодинаковой чувствительности уха к тонам разных высот; кроме того, создается ощущение непривычного звука, а при больших громкостях возникают искажающие репродукцию комбинационные тоны и субъективные обертоны.
3) Г. не должен давать послозвучащих тонов, иначе звуки сливаются.
Искажения могут возникать в микрофоне, в линии передачи до антенны н от антенны до Г., в усилителях передатчика и приемника, в трансформаторе, подводящем ток к Г., и в самом Г. В дальнейшем имеются в виду лишь искажения, возникающие в самом Г.
Первое из приведенных условий требует, чтобы Г. во всей области звуковых частот, относящихся к области речи и музыки, то есть от 50 до 8 000 пер/ск., передавал колебания без относительного искажения амплитуд. Если р1—амплитуда избыточного давления при звуковых колебаниях воспроизводимого звука, р2—то же для звука репродуцированного, то рх должен быть равно /г-раво всей области передаваемых частот, и к должен быть независимым ни от частоты, ни от интенсивности. Кроме того, во всей указанной области Г. не должен иметь резко выраженных резонансных частот. Второе из упомянутых условий кладет предел усилению токов, подводимых к Г.
Н сущности, всякий Г. выполняет то же, что и телефон: превращает электрнческ. колебания в акустические (смотрите Телефон). Поэтому он должен иметь две части: электрическую систему с вибрирующим механизмом, где электрич. колебания превращаются в ме-ханнч., и акустич. систему, служащую для излучения звуковой энергии. По конструкции акустич. части Г. делятся на рупор-н ы е, где излучателем звуковой энергии служит рупор, и безрунорные (или диффузор ные), где звуковая энергия излучается непосредственно вибрирующим механизмом, к-рый имеет в этом случае большую поверхность (диффузор). По конструкции электрической части Г. делятся на электромагнитные, электродинамические и электростатические.
Электромагнитные Г. имеют, как и телефон, вибрирующий механизм в виде железной мембраны, которая колеблется под действием переменного магнитного поля, создаваемого телефонным током, проходящим после усиления по обмоткам электромагнитов (фигура 1). Искажения в этой системе могут обусловливаться:
1) Резонансом мембраны; для ослабления резонансных свойств мембрана должна обладать большим затуханием; кроме того, резонанс мембраны должен лежать вне области передаваемых частот. Так как собственная частота мембраны повышается с увеличением ее упругости и с уменьшением ее
Фигура 1. Фигура ‘2.
массы, то частоту мембраны можно понизить, увеличив массу и уменьшив упругость (большие тонкие мембраны), или же повысить, уменьшив массу и увеличив упругость. По в первом случае прогиб мембраны оказывается слишком большим, и при сильных токах мембрана может касаться магнита, а во втором (малые мембраны)—ее амплитуды оказываются слишком малыми. Благодаря своей легкости, могут применяться и мембраны из немагнитного материала (слюда, алюминий, цоллюлоид) с железным якорем.
2) Если переменное магнитное ноле велико сравнительно с дополнительным постоянным. то возникает удвоение частоты (октава); этот недостаток устраняется применением сильных постоянных магнитов.
3) При больших амплитудах мембраны упругая сила, которая уравновешивает отклоняющее действие магнитного поля, оказывается непропорциональной току, создающему переменное магнитное ноле, вследствие чего появляются добавочные частоты. Непропорциональность между отклонениями мембраны и силой тока, проходящего по обмоткам электромагнитов, является причиной наиболее существенных искажений звука. Поэтому чистая репродукция возможна лишь при малых амплитудах мембраны. Ради возможности применять большие мембраны с относительно большими амплитудами, мембрану скрепляют с якорем, находящимся в сбалансированном положении между полюсами сильного магнита (фигура 2). Наконечники магнита состоят из листов мягкого железа, на которые надета обмотка для телефонного тока. Якорь укреплен в одной точке и, находясь в однородном поле, совершает отклонения, пропорциональные изменениям тока (и поля). Таким симметричным (двусторонним) вибратором снабжен рупорный Г. Государств, электротехнического треста заводов слабого тока—«Аккорд»; несимметричным (односторонним) вибратором снабжен маломощный рупорный Г. того же треста—«Лилипут».
Т. к. мембрана сама по себе излучает мало звуковой энергии, то псе мембранные Г. снабжают рупором. Его прямое назначение излучать акустич. энергию в окружающий воздух. Он играет в Г. ту лее роль, что антенна в радиопередатчике; поэтому мембрану без рупора можно сравнить с замкнутым колебательным контуром без антенны. Таким образом, рупор позволяет и при малых амплитудах мембраны получить достаточную громкость звука. Рупор заканчивается камерой, в которой помещена мембрана. При движениях мембраны, в узком конце рупора создаются большие скорости движущихся частиц воздуха. Для получения возможно больших скоростей прилежащее к мембране отверстие рупора должен быть возможно узким; точно так же и камера, в которой заключена мембрана, должен быть возможно малой; в противном случае воздух в этой камере при движениях мембраны будет лишь периодически сжиматься, а но вгоняться и отверстие рупора, что необходимо для создания больших скоростей. Предел уменьшению камеры и сужению отверстия кладется увеличением внутреннего трения. Рупор, являясь нагрузкой мембраны, увеличивает ее затухание, что благоприятно в отношении ослабления ее резонансных свойств и необходимо для увеличения излучаемой ей звуковой мощности. Вместе с тем, благодаря нагрузке, несколько понижается собственный тон мембраны, так как сопротивление, создаваемое камерой н рупором, увеличивает массу воздуха, колеблющегося вместе с мембраной, что эквивалентно увеличению массы самой мембраны.
Т. к. рупор сам по себе представляет резонатор, то он может иметь собственные частоты, искажающие репродукцию. Собственные топы возникают при отражении звуковых волн (образование стоячих волн в рупоре) на внешнем отверстии рупора или в местах его внезапных расширений или сужении. Поэтому чем более плавно расширяется рупор и чем больше его наружное отверстие, тем слабее в нем резонансные явления. Наиболее выгоден в этом отношении рупор, у которого поперечное сечение возрастает по закону показательной кривой А — А а(,11х (А — поперечное сечение на расстоянии а Л„—поперечное сечение узкого отверстия и 11 — константа). Длинные звуковые волны претерпевают более сильное отражение на конце рупора, чем короткие, поэтому рупор резонирует на низкие частоты (и их гармоники). Чем длиннее рупор, тем ниже его собственная частота; поэтому, для уве-Фигура з. личения длины, рупор делают изогнутым или придают ему форму, показанную на фигуре 3. Если резонанс рупора ниже резонанса мембраны, область равномерной передачи разных частот оказывается расширенной. Ниже некоторой частоты, определяемой уравнением =
(где а—скорость звука в с.v ск), рупор не проявляет излучающего действия. Амплитуды звуковых колебаний на нек-ром расстоянии от мембраны, не снабженной рупором, оказываются (при одинаковом возбуждении мембраны) пропорциональными /2 (/—частота). Наличие рупора уменьшает зависимость амплитуд от частоты и, в лучшем случае, делает их независимыми от /. Вообще рупор тем лучше, чем более равномерно распределены по частотам интенсивности даваемых им звуков (при условии одинакового возбуждения мембраны). На фигуре А показано распределение интенсивностей хорошего рупора (сплошная черта) и плохого (пунктир). Качества рупора тем выше, чем уже его внутреннее отверстие, чем шире его наружное отверстие и чем более плавно он расширяется. По мере расширения и укорочения рупора его резонансные свойства ослабляются, а излучение увеличивается, пока, наконец, он не перейдет
<1>иг. i.
в короткий конус с широким отверстием— чистый излучатель, лишенный резонансных свойств (диффузор). Рупор обладает направляющим действием, которое тем сильнее, чем короче излучаемые им волны. Звуковые волны, длины которых больше длины рупора, направляющего действия со стороны рупора не испытывают. Помимо резонанса, обусло вленного столбом воздуха в рупоре, возмо-жен резонанс, вызванный вибрациями стенок рупора и его арматурой; если рупор сделан из достаточно твердого материала, это явление незначительно.
Электродинамические Г. Наиболее существенный недостаток электромагнитных Г. пенропорциональиостьмежду отклонениями мембраны и током (при больших амплитудах) — отсутствует в электродипа-мич. Г., где вибрирующим механизмом является проводник с током, находящийся в переменном магнитном поле. В этих Г. собственная частота вибрирующих частей зависит лишь от их массы и упругости, но не от магнитного поля. В электродинамическ. Г. разговорный ток проходит по скрепленной с легкой немагнитной мембраной катушке, находящейся в узком междуполюсном пространстве постоян. электромагнита. На фигуре δ показана схема Г. «Магнавокс». Мембрана жестко скреплена с катушкой, навернутой на целюллоидном барабанчике, находящемся в межполюсном пространстве NS.
Разговорный ток подводится к катушке (сопротивление которой 10 2) от анодной цепи последней усилительной лампы через снижающий трансформатор. На фигуре 6 показана схема Г. «Гомон“. Здесь вибрирующей частью является шелковый конус с навернутой алюминиевой проволокой, но которой проходит разговорный ток. Колебания воздуха передаются через отверстия рупору. Другой тип электродинамич. Г. представляет собою ленточный Г. конструкции Сименса-1 Котки. В нем вибрирующим механизмом является очень тонкая гофрированная алюминиевая лента (вес—несколько мг на 1 см“ поверхности), подвешенная в постоянном магнитном поле напряженности ок. 10 000 гаусс (фигура 7). Примерные размеры ленты: длина 10 см, ширина 10 ли, толщина 10«, вес 30 мг. По ней пропускается усиленный разговорный ток(максимум 10 А), под влиянием которого лента колеблется в направлении, перпендикулярном магнитному полю (максимальная амплитуда—5 миллиметров). Хотя масса ленты очень мала, но и упругость ее весьма ничтожна; поэтому собственная частота ленты лежит вне пределов передаваемых частот. Этот Г. дает чистую передачу и для увеличения излучаемой звуковой мощности тоже снабжается рупором. Главный недостаток такого громкоговорителя—непрочность ленты.
В безрупорных (диффузорных) Г. излучателем служит сама вибрирующая мембрана, имеющая большую поверхность, которая в большинстве случаев делается конической. Вибрирующий конус имеет загнутую эластичн. закраину, позволяющую ему двигаться целиком (как поршень). По конструкции электрической части безрунорные Г. делятся на те же типы, что и рупорные. В электромагнитных Г. вершина конуса жестко скрепляется с якорем электромагнитного вибрирующего механизма, симметричного двустороннего (как «Рекорд» Треста з-дов слабого тока) или несимметричного одностороннего (как «ДП» того же треста). Конус м. б. вогнутым, выпуклым или двусторонним. На электродинамич. принципе основан безрупорный Г. Риггера, квадратная мембрана которого (от 20 х 20 сантиметров и до 50x50 см) движется вся, как поршень, перед системой постоянных магнитов. Резонансная частота мембраны ниже предела передаваемых частот, и этот Г. дает наиболее чистую передачу, обладая заметным направняющим действием, особенно резко-сказывающимся на коротких звуковых волнах, как это можно видеть на фигуре8. Безрунорные Г. могут быть основаны также на э л е к-тростатнч. принципе. Очень тонкая (0,02—0,03 м.м), легкая мембра на (сл года или шелк, покрытые слоем металла, алюминий, листовое золото), расположена на расстоянии нескольких сотых долей миллиметров от неподвижной металлич. пластинки, к ним приложено высокое напряжение (600—800V). Если напряжение меняется так, как
90’
(
60°
300
f*=4500 60°
ш-
30°
Фпг. 8.
меняется разговорный ток в усилителе, то легкая мембрана, вибрируя, дает звук. Преимущество этого!, -возможностьприменять очень тонкие и легкие мембраны, так как по ним ток не передается; т. о., собственная частота мембраны м. б. сделана очень малой. Недостаток его — необходимость высокого напряжения и хорошей изоляции. При мембране в 400 см2, расстоянии пластин в 0,5 миллиметров. постоянном напряжении в 1 000 V и массе мембраны 2 г, Г. излучает постоянную звуковую мощность в 0,7-IO-3 W в области частот приблизительно от 150 до 2 500 пер/ск. (при переменном напряжении на его обкладках ок. 100 V). Массоле, Фогт и Эигль, разрабатывая говорящую фильму (Триер-гон»), конструировали электростатический Г. из трех слюдяных пластин, предназначен, каждая для воспроизведения различных областей частот; эти мембраны, для ослабления резонанса в данной области, были снабжены соответственно подобранными и наложенными на них эксцеитрич. кольцами.
Аналогично работает Г. конструкции Рейца. Он состоит из тонкой резиновой мембраны, на одной стороне которой удерживаются клеем мелкие угольные зерна. Эти зерна служат одной из обкладок конденсатора; второй обкладкой является неподвижная металлическая пластина, помещенная на близком расстоянии от резиновой мембраны.
со свободной от угля стороны. Под действием переменного напряжения той или иной частоты резиновая мембрана прогибается отдельными участками, в зависимости от массы зерен, находящихся на том или другом ее участке. Этот тип электростатич. Г. работает при дополнительном постоянном напряжении 100—300 V.
На электростатич. же принципе германской фирмой Хута сконструирован Г., основанный на явлении Ионсена и Рабека, состоящем в том. что при высоких напряжениях проводник и полупроводник притягиваются друг к другу. Схема этого Г. дана на фигуре 9. Мембрана М скреплена с металлической лентой В, лежащей на вращающемся на оси I) агатовом валике А. К валику и лепте приложено постоянное напряжение К, заставляющее лепту притягиваться к валику. Валик отчасти увлекает ленту и создает натяжение мембраны. Если через трансформатор Т передается от усилителя еще дополнительное напряжение, создаваемое разговорным током, то сила взаимного притяжения Меняется; изменяется и сила трения между валиком и лентой, а вместе с тем меняется и сила, натягивающая мембрану,—т. о. мембрана Начинает колебаться. Для увеличения звуковой отдачи Г. снабжают рупором. Недостаток такого Г.—непостоянство силы трепня, зависящей от состояния трущихся поверхностей. Электростатич. Г. вообще широкого применения не имеют.
Фигура 10.
Кпд Г. вообще мал—ок. 1—2%, причем большаячасть энергии расходуется в электромагнитной части (около 76%) и меньшая (ок.23%)—в акустической. Наибольшим кпд обладает безрупорный электродинамически!! Г. конструкции Риггера—в нем кпд доходит до 10%. Экспериментальные сравнения разных систем Г. показали, что этот Г. в настоящее время—лучший из Г. в отношении одинаковости передачи частот. Кривая распределения интенсивностей по частотам в Г. конструкции I’ипера показана на фигуре 10.
И отношении чистоты передачи безрупор-ные Г. вообще превосходят рупорные. По так как безрупорпые Г. оказываются менее мощными, более сложными по конструкции и более дорогими, то в настоящее время много внимания уделяется разработке рупорных систем Г.
Лит.: Handbuch (1. Physik, hrsg. v. II. Geiger u.
K. Schell, B. 8. 1ϋ. B. 1927; N esper E., Laut-sprecher, B. 1925; Hanna C. a. S 1 e p i a n < JAIEE», 1924, p. 250; Rice W. a. Ke Мок W.,
«JAIEE», 1925. p. 982. П. Беликов.