А если поменять направление тока (это обратное направление тока условно считаем отрицательным), то катушка будет выталкиваться из магнитного поля, диффузор уйдет назад и перед ним уже появится разряжение, то есть отрицательное давление.
Т-115. На характеристике «причина — следствие» («ток — давление») громкоговорителя есть линейные и нелинейные участки. С увеличением тока в звуковой катушке диффузор вначале выдвигается вперед (или при отрицательном токе уходит назад) и увеличивает (уменьшает) давление, как говорится, по линейному закону — давление прямо пропорционально току. Но затем давление начинает увеличиваться все медленнее и медленнее, график загибается, идет все более и более полого. Наконец, дело доходит до того, что с увеличением тока диффузор вообще перестает смещаться и давление перед ним остается неизменным. Вот одна из причин этого загиба характеристики — центрирующая шайба все сильнее сопротивляется деформирующей силе и, наконец полностью исчерпав свои запасы эластичности, вообще перестает изгибаться. Здесь самый момент прекратить эксперименты, приостановить дальнейшее увеличение тока. Иначе катушку может просто-напросто вырвать из системы подвеса. Или из-за слишком большого тока она может перегреться и перегореть.
Самое важное, о чем рассказали наши простейшие мысленные эксперименты с громкоговорителем, так это то, что на его характеристике есть линейные и нелинейные участки (изгибы).
В нашем конкретном примере (Р-72;9) линейный участок соответствует токам от —2 А до +2 А. За этими пределами, то есть при токах более сильных, чем — +2 А и —2 А, характеристика загибается, становится нелинейной. Протяженность линейного участка практически и определяет ту электрическую мощность, которую можно подводить к громкоговорителю, а значит, и мощность излучаемого звука.
Т-116. Совместив график электрического сигнала с характеристикой «ток — давление», можно получить график звука. Сейчас нам предстоит произвести довольно простую операцию — совмещение графиков, рассказывающих о том, что происходит в громкоговорителе. В дальнейшем мы будем часто выполнять точно такие же операции применительно к другим устройствам — трансформаторам, транзисторам, электронным лампам, — и есть смысл на примере громкоговорителя внимательно посмотреть, как это делается, чтобы потом уже не касаться технической стороны дела.
Будем считать, что в нашем распоряжении есть график электрического сигнала, график, который показывает, как именно меняется ток в звуковой катушке с течением времени. А задача сводится к тому, чтобы узнать, каким будет звуковой сигнал, который создаст громкоговоритель. То есть задача сводится к тому, чтобы построить график этого звукового сигнала, описать его изменение во времени.
За основу берем характеристику «ток — давление» (Р-72;9, Р-73;1) — именно она показывает, как зависит давление перед диффузором от тока в звуковой катушке, а значит, именно эта характеристика позволит узнать, каким будет звуковой сигнал, как будет меняться звуковое давление, если меняется ток.
Р-73
К характеристике «ток — давление» пристыковываем график тока (Р-73;2), повернув его, положив его на бок с таким расчетом, чтобы ось тока этого графика совместилась с осью тока на характеристике «ток — давление» (Р-73;1). Эта операция всего лишь стремление к удобству: теперь мы сможем легко и быстро от одного графика переходить к другому, для этого достаточно провести между ними короткую пунктирную линию.
Отметим, например, что в момент 2 сек ток в звуковой катушке равен 2 А, и тут же перейдем к характеристике «ток — давление», определим, что под действием тока 2 А громкоговоритель создаст звуковое давление 0,2 Н/м2. И подведем итог — в момент 2 сек перед диффузором будет давление 0,2 Н/м2. Отсюда уже остается буквально один шаг до графика звукового сигнала. Пристыковав к характеристике «ток — давление» две перпендикулярные оси (Р-73;3), будем определять звуковое давление для разных моментов времени и строить график звукового сигнала.
Т-117. Нелинейные искажения: в спектре сигнала появляются посторонние составляющие. Совмещенные графики — характеристики «ток — давление», график тока и график звука — подробно рассказывают, как создается звуковой сигнал и каким он получается. Говорят они, в частности, о том, что частота звука равна частоте тока, что с увеличением амплитуды тока растет и амплитуда звукового сигнала, что характер изменения звука, форма его графика, в точности повторяет график электрического сигнала (Р-73;2,3).
Этот последний вывод, однако, справедлив только в случае, если ток не выходит за пределы линейного участка характеристики «ток — давление». Если же ток заходит в область загибов этой характеристики, то прямая пропорциональная зависимость между током и давлением нарушается и график звука уже становится непохожим на график тока (Р-73;4,5). Такое искажение сигнала называется нелинейным.
В результате нелинейных искажений в спектре сигнала появляются новые составляющие, в частности новые гармоники, составляющие с частотами, кратными основной частоте (Т-100). Практически мы слышим нелинейные искажения в виде различных посторонних хрипов и скрежетов, звук из-за них становится грязным, хрипловатым. Здесь, правда, все еще зависит от того, насколько далеко ток зашел в нелинейную область характеристики, насколько велики нелинейные искажения.
Т-118. Коэффициент нелинейных искажений показывает, какой процент общей мощности приходится на долю посторонних составляющих. Чтобы оценить, насколько же сильно искажается сигнал, можно просуммировать всю появившуюся «грязь», просуммировать мощность всех новых, никому не нужных составляющих, и посмотреть, каков удельный вес этой мощности в выходном сигнале. Именно об этом и говорит коэффициент нелинейных искажений — Кни. Чтобы определить его, на вход устройства (в данном случае речь идет о громкоговорителе, но, как мы скоро увидим, нелинейные искажения могут возникать и в других элементах электронной аппаратуры) подают чистую синусоиду, а на выходе раздельно измеряют мощность этой синусоиды и мощность гармоник, которые появились в результате нелинейных искажений. Определенное соотношение этих мощностей (Р-73;7), выраженное в процентах, и есть коэффициент нелинейных искажений Кни. Чаще Кни выражают не через мощности, а через звуковое давление, от которого, как известно, и зависит мощность звука.
Без лишних рассуждений можно сказать, что, чем меньше Кни, тем лучше, тем чище звук. Наше ухо замечает нелинейные искажения уже в 3–5 процентов, а искажения в 8-10 процентов сильно ухудшают качество звучания музыки. При воспроизведении речи Кни может быть несколько больше. К сожалению, если сигнал проходит последовательно несколько устройств (микрофон, линия, громкоговоритель), то нелинейные искажения суммируются. Это, правда, не простая арифметическая сумма, суммирование производится более сложным образом, но во всех случаях чем больше «слагаемые», чем больше искажения на отдельных участках, тем больше и суммарные искажения. Вот почему нелинейные искажения стараются свести к минимуму в любом участке тракта, по которому путешествует сигнал, и часто ведут борьбу не только за каждый процент коэффициента нелинейных искажений, но даже за каждую десятую долю процента.
Нелинейные искажения ограничивают и максимальную громкость звучания громкоговорителя. Он, может быть, мог бы создавать и более мощный звук, но при этом нелинейные искажения были бы недопустимо большими. Мощность была бы получена слишком дорогой ценой. Вот почему, указывая мощность громкоговорителя, часто делают оговорку: «При нелинейных искажениях не более стольких-то процентов». К сожалению, линейные участки характеристики «звук — давление» тоже не идеальны, они тоже имеют некоторую кривизну. И поэтому нелинейные искажения, правда небольшие, возникают во всех режимах работы громкоговорителя. Но, конечно, очень сильные искажения появляются при перегрузке громкоговорителя, когда к нему подводится чрезмерно мощный электрический сигнал.
Т-119. Частотные искажения: в спектре сигнала меняются соотношения между отдельными составляющими. Другой вид искажений формы сигнала, с которым мы встречаемся в громкоговорителе, а затем еще не раз встретимся в других устройствах, — это частотные искажения. Здесь никакие новые составляющие в спектре не появляются, а меняются соотношения между «старыми» составляющими сигнала (Р-74).
Р-74
Наш слух очень сильно ощущает частотные искажения. Из-за них меняется тембр звука, неузнаваемыми становятся голоса певцов, из оркестра исчезают целые музыкальные инструменты. Если ослабляются составляющие низших частот, то едва слышен барабан, куда-то далеко уходит контрабас, звук становится сухим, резким. А если ослабляются составляющие высших частот, то слабо звучат флейты, скрипки, звук становится глухим, бубнящим, пропадает его чистота и прозрачность.
Откуда появляются частотные искажения? Кто виноват в нарушении пропорций между составляющими спектра? Конечно же, эти искажения могут появиться в некоторых цепях переменного тока, по которым путешествует электрический сигнал. Вспомните, что реактивные элементы — катушка и конденсатор — имеют различное сопротивление на разных частотах (Т-76, Т-78), а значит, эти элементы по самой своей природе будут создавать частотные искажения. И только некоторые особые меры помогают уменьшить эти вредные действия реактивных элементов или даже полностью их компенсировать.
В этом отношении частотные искажения в принципе отличаются от нелинейных. Если в сигнале появились новые гармоники, новые составляющие, то полностью избавиться от них уже невозможно. А вот если какой-либо участок тракта создает частотные искажения, то на другом участке их можно искусственно скомпенсировать, поднять чрезмерно ослабленные составляющие. Это, кстати, делают с помощью все тех же реактивных элементов, чаще всего с помощью определенным образом подобранных конденсаторов. И получается, что в одном месте реактивные элементы создают частотные