Основные детали динамического громкоговорителя: корпус, магнитная система, звуковая катушка, система подвеса катушки, диффузор.
Устройство электродинамического громкоговорителя, или, короче, динамического громкоговорителя, или, еще короче, динамика, показано на Р-72;4. Несколько лет назад громкоговоритель стали называть динамической головкой прямого излучения, а название «громкоговоритель» передали мощным акустическим системам, в них обычно входит несколько таких головок, которые мы по старинке будем все же называть громкоговорителями — десятки лет существовало такое название, оно навсегда осело в миллионах радиолюбительских книжек и статей.
Р-72
С тыльной стороны корпуса — магнитная система. В нее входит кольцеобразный магнит из магнитных сплавов или из магнитной керамики — определенным образом спрессованных и «спеченных» порошков, которые содержат ферромагнитные вещества — ферриты. В магнитную цепь входят также стальные фланцы и стальной цилиндр — керн. Только в одном месте стальная магнитная цепь разорвана, имеет кольцеобразный воздушный зазор — именно в этом зазоре находится подвижная катушка, ее обычно называют звуковой катушкой. Чтобы не ослаблять магнитное поле, охватывающее витки звуковой катушки, зазор для нее делают очень небольшим, расстояние между катушкой и стенками «туннеля», в котором она ходит, измеряется долями миллиметра, в худшем случае миллиметрами. Катушка подвешивается на эластичной центрирующей шайбе, и даже небольшое ее случайное смещение приводит к одному из самых тяжелых повреждений громкоговорителя — катушка начинает задевать за фланец, начинает затирать.
Другая возможная неисправность — сползание витков катушки с ее тонкого картонного каркаса (катушка намотана в два, а иногда и в четыре слоя). Устранить эту неисправность очень сложно, бывает, что остается лишь выбросить громкоговоритель, у которого сползли витки звуковой катушки.
К катушке прикреплен конический диффузор, спрессованный или отлитый из особой бумажной массы. Именно он, двигаясь вместе с катушкой, подобно поршню насоса, увлекает за собой основную массу воздуха. На самом диффузоре закреплены две медные заклепки — к ним подпаяны выводы звуковой катушки. От этих заклепок отходят два гибких медных многожильных провода, которыми катушка соединяется с внешним миром. Распространенное и устранимое повреждение — обрыв одного из выводов — легко обнаружить, внимательно осмотрев громкоговоритель.
Т-113. Две важные характеристики громкоговорителя — сопротивление звуковой катушки и электрическая мощность. Чтобы громкоговоритель излучал звуковые волны, к его звуковой катушке нужно подвести низкочастотный электрический сигнал — переменное напряжение. Под действием этого напряжения по звуковой катушке пойдет низкочастотный переменный ток, он создаст магнитное поле катушки, оно начнет взаимодействовать с полем постоянного магнита, и катушка придет в движение. Каким будет этот ток, а значит, и интенсивность движения диффузора, зависит не только от напряжения. В соответствии с законом Ома, это еще зависит от сопротивления звуковой катушки. Сопротивление это — характеристика сложная, его величину определяют несколько физических процессов. Здесь и обычное активное сопротивление проводов, и те затраты энергии, которые связаны с излучением звуковых волн, и, наконец, индуктивное сопротивление катушки — она, правда, содержит лишь несколько десятков витков, имеет небольшую индуктивность Lзв, однако же на самых высших звуковых частотах и эта индуктивность создает заметное индуктивное сопротивление (Т-78, Р-72;6), которое прибавляется к чисто активному, как иногда еще говорят, омическому сопротивлению проводов катушки Rзв.
Общее сопротивление, которое образуется и чисто активным, и реактивным сопротивлением (индуктивным или емкостным или обоими одновременно), называют комплексным сопротивлением и обозначают буквой zзв. Поскольку индуктивная составляющая комплексного сопротивления катушки zзв, как и всякая другая индуктивная составляющая, меняется с частотой (Т-78), то и общее комплексное сопротивление катушки тоже меняется с частотой. В справочных таблицах (С-13) сопротивление звуковой катушки Rзв указывают для частоты 1000 Гц. Обычно оно всего на 10–20 процентов больше чисто активного сопротивления катушки R, и поэтому, смирившись с некоторой погрешностью, можно считать сопротивлением звуковой катушки именно величину Rзв. Это очень удобно, потому что Rзв можно легко измерить омметром (Р-72; 7).
Другая важная характеристика громкоговорителя — его мощность Р. В данном случае понятие «мощность» имеет тот же смысл, что и для любого другого потребителя энергии: указанная на громкоговорителе или в справочной таблице величина мощности Р — это та граница, которую нельзя переходить, то есть та мощность, которую нельзя превышать, подобно тому как нельзя подводить к электрической лампочке, двигателю или электронагревателю мощность большую, чем та, на которую они рассчитаны.
В справочных таблицах мощность громкоговорителя иногда указывают в непривычных для нас единицах измерения — вольт-амперах (ВА). Произведение тока 1 А на напряжение 1 В дает единицу мощности 1 Вт, то есть можно сказать, что вольт-ампер и ватт — это одно и то же. Для чего же понадобилось иметь две одинаковые единицы мощности? Только для того, чтобы подчеркнуть, что бывает мощность двух видов — активная и реактивная. Активная — это та, которая тут же потребляется нагрузкой и тут же преобразуется в тепло, свет, механическую работу. А реактивная мощность — это та, которую потребляют от генератора реактивные элементы, катушка и конденсатор, и через какое-то время возвращают ее генератору (Т-76). Так вот, когда речь идет о реактивной мощности или о комплексной (в нее входит и активная и реактивная), то пользуются единицей вольт-ампер — В∙А. А когда мощность чисто активная, то ее измеряют в ваттах.
Мощность, потребляемая громкоговорителем, — это комплексная мощность (опять-таки в основном за счет индуктивного сопротивления катушки), в справочных таблицах она приводится для частоты 1000 Гц и, естественно, указывается в вольт-амперах — В А. Но комплексная мощность на частоте 1000 Гц весьма близка к чисто активной мощности Р. Поэтому можно смело считать, что громкоговоритель потребляет именно столько, сколько потребляет активное сопротивление Rзв его звуковой катушки.
В заключение — несколько слов горькой правды. Динамический громкоговоритель — очень плохой преобразователь энергии, он превращает в звуковые волны лишь два-три процента подводимой электрической мощности, коэффициент полезного действия громкоговорителя составляет 2–3 процента. Это значит, что, получая электрическую мощность 10 Вт, громкоговоритель создает звуковые волны мощностью 0,2–0,3 Вт. Правда, к этому ужасающему факту разбазаривания энергии нужно сделать два примечания, в какой-то мере утешительных. Во-первых, на расстоянии в несколько метров мы удовлетворительно слышим звук, если его излучатель создает акустическую мощность около 1–3 мВт. То есть мы услышим звучание громкоговорителя, к которому подведена электрическая мощность 50-100 мВт. А это величины сравнительно небольшие — такие мощности подводятся к громкоговорителю карманного приемника, мощность, потребляемая лампочкой карманного фонаря, в несколько раз больше. Для того чтобы создать громкий звук в достаточно большой комнате, вполне хватает электрической мощности 5-10 Вт.
Хуже дело обстоит в установках для озвучивания больших помещений, концертных залов, кинотеатров. Здесь уже нужны звуковые мощности в десятые доли ватта и даже в несколько ватт. А поэтому к громкоговорителям приходится подводить электрическую мощность 5-10–20 Вт или даже 20–50-100 Вт.
И второе утешительное примечание — можно было бы разными способами повысить коэффициент полезного действия громкоговорителя, но при этом ухудшилась бы способность точно, без искажений, изготавливать звуковую копию электрического сигнала. А именно это качество — воспроизведение звука без искажений, а не коэффициент полезного действия — важнее всего для громкоговорителя. И действительно, какой толк в том, что громкоговоритель дает более мощный звук, если вместо «А» он воспроизводит «У» или вместо мелодичного вальса — рев мотоциклетного мотора.
Т-114. График «причина — следствие» рассказывает о работе громкоговорителя. Начнем с примера, не имеющего прямого отношения к громкоговорителю.
Шофер нажимает на педаль акселератора, или, как ее часто называют, педаль газа, и автомобиль набирает скорость. Первый из этих двух процессов (нажимание на педаль) есть причина, второй (увеличение скорости автомобиля) — следствие. О их взаимосвязи можно рассказать словами или формулой, но проще всего с помощью графика. График (Р-72;8) покажет, что чем больше угол α отклонения педали, тем выше скорость автомобиля — водитель сильнее нажимает на педаль, в цилиндры двигателя поступает больше горючей смеси. Вначале с увеличением угла а скорость увеличивается довольно резко, но затем график идет все более полого. В значительной мере это объясняется тем, что с ростом скорости автомобиля возрастают разного рода потери энергии, например потери, связанные с завихрениями встречного воздуха. Да и мощность двигателя приближается к своему пределу.
Аналогичный график (Р-72;9) «причина — следствие» хорошо иллюстрирует и работу громкоговорителя. Причиной здесь будем считать ток в звуковой катушке, следствием — то избыточное давление воздуха, которое создает диффузор (Т-112). Для начала рассмотрим крайне упрощенную картину — диффузор помещен в небольшую замкнутую камеру и совсем уже напоминает поршень насоса. Чем больше ток в звуковой катушке, тем сильней она втягивается в магнитное поле постоянного магнита, тем дальше выдвигается диффузор и тем, следовательно, больше давление перед ним.