аудиоТракТ

Информация по параметрам динамических головок приводится в каталогах фирм-производителей, торговых компаний и на сайтах в интернете. Ниже будут рассмотрены параметры динамических головок, которые обычно содержатся в указанных источниках.

Мощность динамических головок характеризуется рядом параметров.

Кратковременная макси­мальная тепловая мощность (Pst). Это предельное значение мощнос­ти, при которой не разрушится звуковая катушка от импульса заданной длительности, например, 1 или 20 мсек. Параметр по существу характеризует теплоемкость и механическую прочность звуковой катушки.

Длительная максимальная тепловая мощность (Plt). Это предельное значение мощности, при ко­тором температура звуковой катушки не превысит допустимого значения. Параметр характеризует тепловое сопротивление меж­ду звуковой катушкой и окружающей средой. В современных динамических головках звуковые катушки могут работать при достаточно высоких температурах, например, 200 °С, если используются термостойкие материалы (Capton, алюми­ний и т.п.). Если допустимая рабочая температура звуковой ка­тушки составляет 200 °С, а изготовитель указывает величину Plt = 100 Вт, можно считать, что тепловое сопротивление между звуковой катушкой и окружающей средой равно примерно 1,8 °С на ватт. Это означает, что перегрев звуковой катушки относи­тельно окружающей среды составит примерно 18 °С при подводимой мощности 1 Вт.

Plt измеряется на шумовом сигнале, с использованием взве­шивающего фильтра, который приближает спектральную мощ­ность измерительного сигнала к музыкальному. Для СЧ и ВЧ головок дополнительно указывается частота среза и крутизна спада передаточной характеристики фильтра высоких частот, ограни­чивающего снизу полосу испытательного сигнала. Например, для ВЧ головки может оговариваться длительная тепловая мощность 90 Вт при условии использования фильтра с частотой среза 3000 Гц и крутизной спада 12 дБ/окт.

При использовании подобного фильтра мощность, попадаю­щая на головку, существенно меньше мощности на входе фильт­ра. В справочных данных изготовителей указывается мощность на входе фильтра, при этом фильтр может не упоминаться. Результатом такого способа указания мощности в справочных дан­ных является частый выход из строя ВЧ головок из-за перегрузки частотами, для работы на которых они не предназначены.

Ознакомившись с каталогами, можно убедиться, что у многих изготовителей динамические головки разного размера, но с оди­наковыми звуковыми катушками имеют одинаковые значения Plt.

Любителю, который подбирает головки для своей конструк­ции, интересно знать, какую мощность музыкальной программы он сможет подавать на динамическую головку при искажениях, не слишком сильно заметных на слух. К сожалению, эта величи­на слабо связана с Plt, она сильно зависит от конструкции дина­мической головки, акустического оформления и характера музы­кальной программы. Ориентировочно можно считать, что в удачно выполненном акустическом оформлении на динамик высокого качества можно подавать 0,25 Plt.

В отдельных случаях изготовители динамических головок при­водят график зависимости уровня звукового давления от мощности шумового сигнала. На неболь­ших мощностях этот график имеет вид прямой линии, выходящей из начала координат с некоторым наклоном. По мере увеличения мощности линейный прирост звукового давления прекращается, и график начинает постепенно загибаться, отклоняясь от прямой. Величина мощности, соответствующая границе линейного участ­ка, является максимальной неискаженной мощностью.

Рабочая мощность. Этот параметр указыва­ется для динамических головок, предназначенных для бытовой аппаратуры. Рабочая мощность соответствует звуковому давле­нию 96 дБ на расстоянии 1 м.

Характеристическая чувствитель­ность (SENS). Этот параметр показывает среднее по ряду частот звуковое давление в дБ, которая создает динамическая головка вдоль оси на расстоянии 1 м при подводимой мощности 1 Вт. В некоторых каталогах торговых фирм, характеристическая чувствительность указана при напряжении 2,83 В независимо от сопротивления головки. Для динамических головок, имеющих сопротивление меньше 8 Ом, значение характеристической чувстви­тельности при таком подходе получается завышенным. Для низко­частотных головок чувствительность указывается, как правило, на средних частотах. На низких частотах, для воспроизведения кото­рых предназначены такие головки, чувствительность оказывается значительно меньше. Изготовитель не может оговаривать чувстви­тельность на низких частотах, поскольку она существенно зависит от акустического оформления. Для любителя важно знать, что НЧ головка, например, диаметром 200 мм за счет сужения диаграммы направленности на средних частотах способна концентрировать зву­ковое давление вдоль оси. На низких частотах, когда длина волны значительно больше диаметра диффузора, диаграмма направленно­сти становится очень широкой, соответственно уровень звукового давления падает. Разница между чувствительностью, указанной в справочных данных, и чувствительностью, которую реально может обеспечить головка на низких частотах, может достигать 6 дБ.

Полное сопротивление динамических головок характеризуется рядом параметров, которые указываются в справочных данных.

Номинальное сопротивление (Zn). Обычно указывается изготовителями в соответствии с принятым рядом значе­ний, т.е. 4, 6, 8 и 16 Ом. Номинальный импеданс является некоторой усредненной величиной, используемой для оценочных расчетов.

Активное сопротивление звуковой катушки (Revc).

Фактический импеданс динамической головки Z всегда боль­ше Revc. Это связано с тем, что Revc измеряется на постоянном токе, когда звуковая катушка неподвижна.

Z измеряется на переменном напряжении, обычно на частоте 1000 Гц. В этом случае в величину модуля полного импеданса вносят вклад ЭДС, возникающая в звуковой катушке за счет ее движения в магнитном поле, и индуктивность звуковой катушки.

Индуктивность звуковой катушки (Levc). изготовители обычно указывают в справочных данных на частоте 1000 Гц. Кроме того, в справочных данных приводится зависи­мость от частоты модуля полного сопротивления динамической головки в графическом виде.

Величина индуктивности звуковой катушки зависит от частоты и от положения звуковой катушки относительно магнитной систе­мы. Свойство Levc изменять величину в зависимости от частоты и амплитуды сигнала является нелинейностью, приводящей к воз­никновению линейных (фазовых) и нелинейных (гармонических и интермодуляционных) искажений. Сила, создающая движение зву­ковой катушки, пропорциональна протекающему через нее току. Если напряжение на выходе усилителя строго соответствует закону изменения воспроизводимого сигнала, то ток через звуковую ка­тушку и, соответственно, сила, приложенная к звуковой катушке, будут точно повторять закон изменения входного сигнала только в том случае, когда нагрузкой усилителя является активное сопротив­ление. Когда усилитель нагружен на динамическую головку, это условие не выполняется, поскольку входное сопротивление дина­мической головки имеет индуктивную составляющую. Степень и характер отклонения закона изменения тока от закона изменения напряжения будут определяться соотношением между активной и реактивной составляющими входного сопротивления динамичес­кой головки. Индуктивная составляющая сопротивления звуковой катушки возрастает с увеличением частоты. Соответственно влия­ние нелинейности индуктивности звуковой катушки на качество воспроизведения звука будет возрастать с увеличением частоты. При­менительно к НЧ-СЧ динамическим головкам, работающим в 2-х полосных системах, нелинейность индуктивности может заметно сказываться на средних частотах.

В справочных материалах изготовители указывают ряд парамет­ров, характеризующих положение звуковой катушки относительно магнитной системы.

Длина намотки звуковой катушки.

Длина воздушного зазора магнитной системы.

Линейный размах движения звуковой ка­тушки (Хmах). Предполагается, что в пределах линейного размаха маг­нитное поле, взаимодействующее со звуковой катушкой, остает­ся постоянным. По существу Хmах является максимальной амплитудой колебаний звуковой катушки, при которой сохраняется линейный характер взаимодействия с маг­нитным потоком, т.е. равные приращения тока вызывают равные приращения силы, действующей на катушку.

Это соотношение справедливо для динамических головок, у которых длина звуковой катушки больше длины зазора магнит­ной системы. Хmах является весьма важным параметром, харак­теризующим перегрузочную способность динамической головки.

Как показывает практика, перегрузка динамической головки в большинстве случаев происходит в результате выхода амплитуды колебаний звуковой катушки из линейного участка, т.е. в резуль­тате превышения величины Хmах. В большинстве случаев такой режим наступает гораздо раньше, чем происходит превышение мощностных и тепловых параметров. В первую очередь, это связа­но с тем, что амплитуда колебаний звуковой катушки имеет тен­денцию возрастать обратно пропорционально квадрату частоты.

Возможность перегрузки по Хmах важно иметь в виду приме­нительно к СЧ и ВЧ головкам, поскольку они имеют, как прави­ло, малую величину линейного участка хода звуковой катушки. Выход амплитуды колебаний звуковой катушки за пределы линейного участка сопровождается значительным ростом искаже­ний. В связи с этим мне представляется разумным следовать ре­комендациям изготовителей по использованию ВЧ головок с фильтрами не ниже второго порядка, так, как это оговаривается в мощностных параметрах. Кроме обеспечения эксплуатацион­ной надежности подобные рекомендации способствуют сниже­нию искажений на повышенных мощностях сигнала.

Максимальный размах движения звуковой катушки, не вызывающий ее повреждения. Он превышает линей­ный размах движения, следовательно, искажения при максималь­ном размахе могут быть весьма велики. Музыкальная программа содержит широкий спектр частот. Если, предположим, СЧ головка вышла в режим максимального размаха под воздействием частоты 200 Гц, то скорее всего, искажения на частоте 200 Гц заметны на слух не будут из-за маскировки неискаженным сигналом НЧ головки, но на частотах более высоких, где излучение НЧ головки сильно ослаблено, искажения за счет нелинейного режима будут весьма заметны.

Эффективная площадь диффузора (Sd). Вычисляется как площадь окружности, диаметр которой включа­ет диаметр диффузора и часть ширины подвеса. Этот параметр обычно имеется в справочных данных изготовителей. Эффектив­ная площадь диффузора совместно с Хmах характеризует способ­ность динамика смещать объем воздуха в пределах линейного участка движения звуковой катушки. Смещаемый объем воздуха является важным предельным показателем низкочастотной го­ловки, поскольку он определяет максимальное значение звуко­вого давления, которое может обеспечить динамическая головка на низких частотах при нормированных искажениях.

Например, динамическая головка Peerless 830432 имеет линей­но смещаемый объем 0,000441 куб. м, что позволяет получить на частоте 30 Гц амплитудное значение звукового давления 99,6 дБ на расстоянии 1 м.

Подвижная масса динамической головки (Mms). Включает массу диффузора, массу звуковой катушки, часть мас­сы подвеса и присоединенную к диффузору массу воздуха. Без присоединенной массы воздуха подвижная масса обозначается Mmd. Это полезно знать при использовании компьютерных про­грамм, когда при построении модели динамической головки не­точность в указании массы приводит к дополнительной погреш­ности результатов расчета.

Гибкость подвеса (Cms). Показы­вает, насколько сместится диффузор при воздействии на него единичной силы, приложенной в направлении движения звуко­вой катушки. Являясь отношением смещения к силе, Cms изме­ряется в миллиметрах на ньютон.

Силовой фактор (BL). Из­меряется либо в ньютонах на ампер, показывая силу, действую­щую на звуковую катушку, приведенную к единице тока, либо в тесла метрах, показывая произведение эффективной длины про­вода на индукцию в зазоре магнитной системы. Оба варианта равноценны, цифры при этом тоже совпадают.

Некоторые производители, в справочных данных приводят параметр под названием фактор ускорения (A). Этот параметр является мерой ус­корения, сообщаемого подвижной массе единицей тока в звуко­вой катушке, и вычисляется по формуле: A= BL/Mms.

Ускорение звуковой катушки, совершающей синусоидальные колебания, имеет тенденцию роста пропорционально квадрату ча­стоты, если амплитуда колебаний остается постоянной. В связи с этим фактор ускорения НЧ, СЧ и ВЧ головок сильно отличается.

Например, НЧ головки диметром 260 мм SESAS W26FX 001 и W26FX002 имеют фактор ускорения соответственно 180 и 236. НЧ головки W22NY 001 и HI288 имеют фактор ускорения 440 и 334. СЧ-НЧ головка Н1215—514. Величина фактора ускорения среднечастотных головок диаметром 100 мм может лежать в пре­делах от 800 до 1500.

Для ВЧ головок требуется фактор ускорения существенно выше. Например, ВЧ головки MOREL MDT30 и MDT 33 имеют фактор ускорения соответственно 7950 и 14300. Величину фактора уско­рения полезно учитывать при подборе комплекта динамиков для громкоговорителя. В 2-х полосных системах СЧ-НЧ головку при­ходится выбирать по совокупности параметров, при этом фактор ускорения не является приоритетным параметром. При выборе СЧ и ВЧ головок фактор ускорения играет более существенную роль. С увеличением фактора ускорения возрастает детальность звучания, в звуковой картине большого оркестра лучше дифференци­руются отдельные инструменты. В любительской среде можно ус­лышать, что головку характеризуют как медленную или как быструю. Я предполагаю, что подобные характеристики достаточ­но хорошо коррелируют с величиной фактора ускорения.

Параметры Тиле-Смолла (T-S). Группа параметров Тиле-Смолла обычно приводится в справочных дан­ных и для расчета акустического оформления НЧ и СЧ головок.

Резонансная частота динамической головки в свободном пространстве (Fs). Для НЧ головок Fs определя­ет частоту среза в нижней части звукового диапазона, которая может быть получена для данной головки в выбранном типе аку­стического оформления.

Объем, эквивалентный гибкости подве­са (Vas). Физический смысл этого параметра легче понять, если предста­вить себе поршень с площадью Sd, который может двигаться, сжи­мая воздух в цилиндре. Под действием единичной силы смещение поршня будет зависеть от объема воздуха в цилиндре. С увеличени­ем объема воздуха в цилиндре смещение поршня под действием единичной силы будет возрастать. Если объем воздуха подобрать так, чтобы смещение поршня от единичной силы было бы равно смешению диффузора от этой же силы, то этот подобранный объем и есть Vas. Эквивалентный объем пропорционален площади диф­фузора и гибкости подвеса. При прочих равных условиях объем акустического оформления динамической головки типа «закры­тый корпус» или фазоинвертор пропорционален Vas.

Механическая добротность (Qms). Характеризует потери энергии в динамической головке, как в механической колебательной системе. Механические колебания на резонансной частоте динамической головки связаны с пере­ходом кинетической энергии подвижной массы в потенциаль­ную энергию деформированного подвеса и наоборот. Колебатель­ный процесс сопровождается потерями энергии на трение в подвесе и рядом других потерь, в том числе и на излучение звука. Механическая добротность есть отношение запасенной энергии (реактивной) к энергии рассеянной (активной). Отношение бе­рется за один период колебаний. Для многих современных НЧ динамических головок это отношение, т.е. Qms, лежит в пределах от 2 до 10. Добротность как отношение двух величин с одинако­вой размерностью является безразмерной величиной.

Электрическая добротность (Qes). Этот параметр характеризует потери энергии при колебательном про­цессе, которые имеют место за счет протекания тока в цепи зву­ковой катушки. При движении звуковой катушки в магнитном поле на ее выводах возникает ЭДС. Если выводы разомкнуты, ЭДС не оказывает влияния на потери энергии в колебательном процессе. Ситуация меняется, если выводы звуковой катушки замкнуты, в катушке под воздействием ЭДС протекает ток. Ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, взаимо­действующее с магнитным полем в зазоре.

Результатом взаимодействия является сила, тормозящая дви­жение звуковой катушки. Энергия, которая тратится на торможение движения, в конечном счете, рассеивается в виде выделе тепла от протекания тока. Происходит нагрев звуковой катушки. Qes для динамических головок, пригодных для работы в закрытом акустическом оформлении или в фазоинверторе, лежит в пределе 0,25—0,8. По определению Qes предполагает нулевое сопротивление в цепи звуковой катушки. Включение активного сопротивления в цепь звуковой катушки приводит к увеличению Qes. Нагрев звуковой катушки от мощности входного сигнала приводит к увеличению активного сопротивления и, соответственно, к увеличению электрической добротности головки.

Полная добротность (Qts).  Характеризует суммарные потери в колебательной системе, вызванные как механическими, так и электрическими процессами.

Т-S параметры используются для расчета акустического оформления НЧ и НЧ-СЧ динамических головок с помощью номограмм, таблиц и компьютерных программ.