Электродинамический громкоговоритель — громкоговоритель, в котором преобразование электрического сигнала в звуковые колебания происходит благодаря перемещению катушки с током в магнитном поле постоянного магнита (реже — электромагнита) с последующей передачей их в окружающий воздух при помощи диффузора.

История В телефоне Белла и последующих конструкциях для преобразования электрических колебаний в акустические использовался электромагнитный капсюль. В нём мембрана из магнитомягкого материала колебалась в магнитном поле постоянного магнита и электромагнита. До конца 1920-х годов большинство громкоговорителей использовало именно этот принцип работы. Такие громкоговорители имели высокий уровень нелинейных и частотных искажений, а также потери из-за токов Фуко и гистерезиса.

Первым катушку с током, движущуюся поперёк силовых линий, предложил использовать в громкоговорителе Оливер Лодж в 1898 году. В 1924 году и запатентовали наиболее близкую к современной конструкцию электродинамического громкоговорителя.

В 20-30-х годах XX века не были известны материалы для производства постоянных магнитов достаточной мощности, поэтому в громкоговорителях тех лет в магнитной системе использовались электромагниты. Кроме основной функции — создания магнитного поля для работы громкоговорителя они также выполняли функции дросселя, ослабляя фон тока питающей сети, вызванный недостаточной фильтрацией выпрямленного напряжения в источнике питания. Также для подавления фона могла применяться специальная антифонная катушка в магнитной системе громкоговорителя. Однако наличие подобной катушки ограничивало использование таких громкоговорителей в батарейных радиоприёмниках (из-за повышенного расхода батареи), радиоточках и выносных громкоговорителях (из-за необходимости в дополнительном источнике питания). По этой причине динамический громкоговоритель не сразу вытеснил электромагнитные: к примеру, громкоговорители типа «Рекорд» в СССР производились вплоть до 1952 года. Тем не менее, в аппаратуре класса Hi-End могут использоваться громкоговорители с полевой обмоткой в дополнение к постоянному магниту.

Устройство электродинамического громкоговорителя

Неподвижная часть электродинамического громкоговорителя включает диффузородержатель и магнитную систему. Диффузор упруго соединяется с диффузородержателем снаружи при помощи подвеса, а изнутри — с помощью центрирующей шайбы. К диффузору жёстко прикреплена звуковая катушка, которая может свободно перемещаться в магнитном зазоре, не касаясь стенок. Отверстие в центральной части диффузора накрывается защитным колпачком.

Подвес Гофрированный гибкий подвес (краевой гофр, «воротник») должен обеспечивать сравнительно низкую резонансную частоту (то есть иметь высокую гибкость); плоскопараллельный характер движения (то есть отсутствие крутильных и других видов колебаний) подвижной системы в обе стороны от положения равновесия и эффективное поглощение энергии резонансных колебаний подвижной системы. Кроме того подвес должен сохранять свою форму и свойства во времени и под воздействием климатических факторов внешней среды (температуры, влажности и др.). С точки зрения конфигурации (формы профиля), значительно влияющей на все указанные свойства, наибольшее распространение имеют полутороидальные, sin-образные, S-образные подвесы и др. В качестве материалов для подвесов низкочастотных головок применяют натуральные виды резины, пенополиуретан, прорезиненные ткани, натуральные и синтетические ткани со специальными демпфирующими покрытиями.

Диффузор Диффузор — основной излучающий элемент громкоговорителя, который должен обеспечивать линейную АЧХ в заданном диапазоне частот. В идеале диффузор должен работать как поршень, совершая возвратно-поступательные движения передавать колебания звуковой катушки окружающему воздуху. Однако по мере повышения частоты в нём появляются изгибающие усилия, что приводит к появлению стоячих волн, а значит — пиков и провалов резонанса на АЧХ громкоговорителя, и к искажениям звука. Для того, чтобы снизить влияние этих эффектов, стараются увеличить жёсткость диффузора, одновременно используя материалы с меньшей плотностью. В современных конструкциях в среднем для 8—12-дюймовых низкочастотных динамиков рабочий диапазон простирается до 1 кГц, 5—7" среднечастотных — до 3 кГц, высокочастотных — до 20 кГц.

Диффузоры по типу материала бывают: жёсткие (керамические, алюминиевые) обеспечивают наименьший уровень искажений, за счет меньшего изгиба поверхности диффузора, но при этом у них слишком большая добротность, а значит — ярко выраженный пик резонанса. Задача производителя — сдвинуть этот пик за пределы рабочих частот. В то же время эти динамики занимают верхние ценовые позиции; полужёсткие (из стеклоткани или кевлара со связующей полимеризованной и запеченной смолой, «сэндвичи») — компромиссный вариант между мягкими и жёсткими. Дают больше искажений, но имеют более низкий выброс резонанса, и как правило на более низких частотах; мягкие диффузоры (полипропиленовые, полиметилпентеновые) обычно имеют ровную АЧХ за счёт поглощения звуковых волн материалом диффузора, и мягкий приятный звук почти во всем диапазоне, но имеют плохие импульсные параметры (отсутствие четкости). Кроме того, мягкий диффузор может крепиться к диффузородержателю без подвеса; бумажные диффузоры стоят особняком, так как дают очень характерный окрас звучания, для устранения которого в бумагу добавляют различные синтетические и натуральные волокна, покрывают диффузор лаком и т. д. Бумажные диффузоры более просты в производстве и позволяют в некоторых случаях делать диффузор, подвес и колпачок из одного материала.

По форме диффузоры могут быть: купольные, обычно применяются в ВЧ-динамиках; конусные — распространены более широко благодаря большей универсальности. Почти не применяются лишь в ВЧ-динамиках из-за направленности излучения. Существует несколько видов профилей конусных диффузоров: линейные являются максимально жесткими, но с максимальным значением резонанса, когда продольная волна сжатия материала от катушки резонирует с поперечной волной колебания самой оболочки; сегмент окружности позволяет сгладить резонанс; экспонента позволяет сгладить резонанс более эффективно. На практике применяются комбинации всех трех типов с целью сместить резонанс в область высоких частот либо распределить его всплеск на более широкий диапазон уменьшив амплитуду. плоские диффузоры применяются редко, в основном в НЧ-динамиках, из-за очень высоких интермодуляционых искажений.

Реже применяются диффузоры более сложной формы, например гофрированные, сочетающие в одной детали диффузор и сразу несколько подвесов — такое решение применяется для малогабаритных широкополосных динамиков с целью уменьшить интермодуляционные искажения и расширить диапазон воспроизводимых частот.

Также от формы образующей и жесткости материала зависят другие важные резонансы системы диффузор-подвес. Все мягкие диффузоры имеют характерный провал и затем всплеск на АЧХ, когда колебания выходят за пределы диффузора и в работу вступает подвес.

Также нужно учитывать, что если в бесконечной плоскости АЧХ динамика будет ровной, то в плоскости шириной 200 мм на АЧХ появится подъём в области 700—900 Гц, поэтому у диффузоров, которые дают в этой области провал, в корпусе АЧХ будет ровная, и не понадобится дополнительных корректирующих цепей, и некоторые производители это учитывают.

Колпачок Пылезащитный колпачок — сферическая оболочка, которая, выполняя функцию защиты рабочего зазора магнитной цепи от попадания пыли, является также окружным ребром жёсткости. Кроме того, колпачок является излучающим элементом, вносящим свой вклад в формирование АЧХ в области средних и высоких частот. Для обеспечения конструктивной жёсткости колпачки изготавливают, как правило, куполообразной формы с различными радиусами кривизны. В качестве материала используют композиции целлюлозы, синтетические плёнки, ткани с пропитками. В мощных низкочастотных громкоговорителях иногда используют колпачки из металла, что позволяет использовать их как дополнительный элемент отвода тепла от звуковой катушки. Но у конструкций с колпачками в пространстве между колпаком и катушкой возникают высокодобротные резонансы, поэтому некоторые производители вместо колпаков ставят фазовыравнивающие «пули», которые не вносят своих искажений.

Центрирующая шайба Между диффузором и корпусом динамика устанавливается специальная шайба, которая должна обеспечивать стабильность резонансной частоты низкочастотных громкоговорителей в условиях динамических и температурных нагрузок, линейность упругих характеристик при больших смещениях подвижной системы, предотвращать смещения звуковой катушки в радиальном направлении и «провисание» подвижной системы, а также защищать магнитный зазор от пыли. Обычно в низкочастотных громкоговорителях используются центрирующие шайбы с синусоидальной гофрировкой (число гофр варьируется от 5—7 до 9—11), плоские или «мостиковые». Однако в некоторых моделях встречаются шайбы более сложных конфигураций (например, тангенциальные), обеспечивающие, по мнению применяющих их фирм, большую линейность упругих характеристик, стабильность формы и т. п. Изначально центрирующая шайба имела совершенно иную конструкцию: она прикреплялась к керну магнитной системы и внутренней части звуковой катушки. Такая шайба имела характерный внешний вид, из-за которого получила название «паук», которое сохранилось в некоторых языках несмотря на то, что современные центрирующие шайбы имеют совсем другую конструкцию.

В качестве материалов для шайб применяют натуральные арамидные ткани (типа миткаля, бязи и т. п.), пропитанные бакелитовым лаком, синтетические ткани на основе полиамидов, полиэстера, нейлона и др. В некоторых низкочастотных громкоговорителях применяются шайбы, в материал которых вплетаются металлические (алюминиевые, медные) нити, которые по заявлениям производителей улучшают отвод тепла от звуковой катушки.

Звуковая катушка и магнитная система

Звуковая катушка — катушка с проводом, которая находится в зазоре магнитной цепи и обеспечивает совместно с магнитной системой динамика преобразование электрической энергии в механическую. Магнитная система динамика обычно состоит из кольцевого магнита и керна, в зазоре между которыми движется звуковая катушка, не касаясь стенок. Большое значение имеет равномерность магнитного поля в пределах хода катушки, для чего особым образом формируются полюса магнитов, а на керн надевается медный колпачок. Для уменьшения массы катушки (что особенно важно в ВЧ-динамиках) производители иногда применяют алюминиевый провод, в том числе с медным покрытием. Электрический ток к катушке подводится с помощью гибких проводов, представляющих собой намотанную на синтетическую нить проволоку. Провода часто закрепляют на диффузоре, чтобы они при работе не прикасались к другим частям динамика. Противоположные концы проводов подключены к клеммной колодке, расположенной на основании динамика (к который припаиваются проводники электросхемы устройства, в котором установлен динамик). Обычно клеммы помечены знаками «+» и «-», что позволяет выполнить правильную фазировку (синфазное включение) головок, входящих в состав акустической системы. Диффузоры головок, включённых синфазно, смещаются в каждый момент времени в одну сторону (внутрь или наружу), что можно визуально проконтролировать путём кратковременной подачи на головки небольшого постоянного напряжения.

Принцип работы