Дыбыс катушкасы: құрылысы, жұмыс принципі және қолданылуы

Кіріспе

Дауыс катушкасы (орама, жаға және оралымнан тұрады) – динамик конусының ең жоғарғы нүктесіне бекітілген сым катушкасы. Ол магнит өрісіне ток өткен кезде туындайтын әрекет арқылы конусқа қозғаушы күш береді. Бұл термин сонымен қатар қатты дискілердегі бас жақтарды жылжытуға қолданылатын дауыс катушкасының сызықтық моторларына да қатысты, олар күштірек күшті тудырады және ұзақ қашықтыққа жылғады, бірақ олар да сол принцип бойынша жұмыс істейді. Кейбір қолданыстарда, мысалы, цифрлық камералардағы электрондық фокусты реттеуде, олар дауыс катушкасы моторлары (VCM) деп аталады.

Операция

Дауыстық орам арқылы ток өткізген кезде магнит өрісі туындайды. Бұл магнит өрісі динамик корпусына бекітілген тұрақты магниттің магнит өрісіне дауыс катушкасының реакция жасауына себеп болып, динамиктің диффузорын қозғалтады. Дауыс катушкасына аудио сигналды жіберу арқылы диффузор бастапқы кіріс сигналына сәйкес дыбыс толқындарын қайта жасайды.

Құрылыс мәселесі

Дыбыс шығарушының қозғалмалы бөліктерінің төмен салмақты болуы қажет (инерцияның әсерінен тым көп демпферлемей, жоғары жиілікті дыбыстарды дәл қайта шығару үшін), сондықтан дауыс катушкалары әдетте мүмкіндігінше жеңіл салмақта жасалады, бұл оларды нәзік етеді. Катушка арқылы өткен токтың шамасы артық болса, ол қызып кетуі мүмкін (Омдық қыздыруға қараңыз). Таспа сым деп аталатын жалпақ сыммен оралған дауыс орамалары, дөңгелек сыммен оралғандарға қарағанда магниттік саңылаудағы тығыздығы жоғары болады. Кейбір орамалардың беткі жағы жабық боббин және жаға материалдарымен жасалады, соның арқасында оларды ферротіріске батыруға болады, ол катушкадан жылуды алып, магниттік құрылымға өткізеді, осылайша катушканы салқындатуға көмектеседі. Төмен жиілікті сигналдардың күші артық болса, катушка қалыпты шектерінен тыс қозғалып, бұрмалануға және мүмкін механикалық зақымдануға әкелуі мүмкін. Қуатты басқару сымның оқшаулауына, желімге және боббин материалының жылуға төзімділігіне байланысты, сондай-ақ катушканың магниттік саңылаудағы орналасуына да әсер етеді. Көптеген дыбыс шығарушылар "астыңғы" дауыс катушкаларын қолданады, олардың орамалары магниттік саңылаудың биіктігінен биік болады. Бұл конструкцияда катушканың бір бөлігі әрқашан саңылаудың ішінде қалады. Қуатты басқару катушканың төзе алатын жылу мөлшерімен және одан шығарылатын жылу мөлшерімен шектеледі. Кейбір магниттік конструкциялар магниттік саңылаудың жоғары және төмен жағында алюминийден жасалған жылуды тарату сақиналарын қамтиды, бұл жылуды өткізу арқылы салқындатуды жақсартады және қуатты басқаруды айтарлықтай арттырады. Егер басқа барлық жағдайлар өзгермейтін болса, дауыс орамасының орауларының ауданы катушканың қуатты басқару қабілетіне пропорционалды. Демек, диаметрі 100 мм және орау биіктігі 12 мм болатын дауыс катушкасы, диаметрі 50 мм және орау биіктігі 24 мм болатын дауыс катушкасына ұқсас қуаттылықпен жұмыс істейді. "Астыңғы" дауыс катушкасының конструкциясында (төменде қараңыз), катушка магниттік саңылаудан қысқа болады, бұл конструкция шектеулі қозғалыс диапазонында тұрақты электр қозғалтқыш күшін қамтамасыз етеді, ол Xmax деп аталады. Егер катушканың қозғалысы шамадан тыс болса, ол саңылаудан шығып, елеулі бұрмалануға және болаттың жылуды тарату қабілетін жоғалтуға, соның салдарынан тез қызуға әкелуі мүмкін. Конус пен шаң қорғағышының сорғылағыш әрекеті салқын ауаны тартады және ыстық ауаны шығарады. Бұл салқындату әдісі конус қозғалысына байланысты, сондықтан орта және жоғары жиіліктерде тиімді емес, бірақ орта және жоғары жиілікті динамиктерді желдету кейбір акустикалық артықшылықтарды қамтамасыз етеді. Алғашқы дыбыс шығарушыларда дауыс катушкалары қағаз боббиндерге оралған, бұл шамалы қуат деңгейлері үшін қолайлы болды. Қуатты күшейткіштер қол жетімді болған сайын, 1145 алюминий фольгасы қағаз боббиндерін кеңінен алмастырды, ал дауыс катушкалары қуаттың артуына төтеп берді. Қазіргі заманғы Hi-Fi динамиктерінің дауыс катушкалары 150°C-қа дейін, тіпті 180°C-қа дейін жұмыс температурасына төтеп бере алатын материалдарды пайдаланады. Кәсіби дыбыс шығарушылар үшін, дауыс катушкасының қатты жылулық (<300°C) және механикалық кернеу кезінде өмір сүруін жақсарту үшін озық терморезистентті композиттік материалдар қол жетімді. Алюминий динамик өндірісінде оның төмен құны, жабысудың оңайлығы және құрылымдық беріктігі үшін кеңінен қолданылды. Жоғары қуатты күшейткіштер пайда болған кезде, әсіресе кәсіби дыбыста, алюминийдің шектеулі жақтары байқалды. Ол дауыс катушкасынан динамиктің жабысқақ буындарына өте тиімді, бірақ ыңғайсыз түрде жылуды өткізеді, оларды термиялық тұрғыдан бұзады немесе тіпті күйдіреді. Алюминий боббильдің магниттік саңылаудағы қозғалысы материал ішінде бұрандалы тоқтарды тудырады, бұл температураны одан әрі арттырады және ұзақ мерзімді өмір сүруге кедергі келтіреді. 1955 жылы DuPont компаниясы алюминийдің кемшіліктеріне ұшырамайтын полиимидті пластикалық пленка Kapton-ды әзірледі, сондықтан Kapton және кейінірек Kaneka Apical дауыс катушкалары үшін кеңінен қолданылды. Бұл қоңыр пластикалық пленкалар көптеген жоғары сапалы дауыс катушкалары үшін сәтті болғанмен, олардың кейбір жағымсыз қасиеттері де болды, негізінен олардың құны және ыстық кезінде жұмсақ болуға бейімділігі. 1992 жылы кәсіби динамиктердегі жұмсарту мәселесін шешу үшін әзірленген Hisco P450 - бұл полиимид шайырмен импрегнирленген жұқа шыны талшықтан жасалған терморезистентті композит, ол полиимидтің ең жақсы қасиеттерін шыны талшықтың температураға төзімділігімен және қаттылығымен біріктіреді. Ол күшті физикалық кернеуге және 300°C-қа дейін жұмыс температурасына төтеп береді, ал оның қаттылығы динамиктің "салқын" жиілік жауабын сақтауға көмектеседі. Дауыс катушкасын орау үшін қолданылатын сымның өзі әдетте мыс сым болып табылады, оның үстінде электр оқшаулау қабаты және кейбір жағдайларда қосымша желімді қабат жабылады. Мыс сым қолдануға оңай, жалпы мақсаттағы дауыс катушкасын ұсынады және құны орташа. Динамиктен максималды сезімталдық немесе кеңейтілген жоғары жиілікті жауапты алу қажет болған жағдайларда, катушканың қозғалмалы массасын азайту үшін алюминий сымды қолдануға болады. Өндіріс ортасында бұл сым өте нәзік болғанымен, алюминий сымның массасы бірдей калибрлі мыс сымнан үш есе аз, ал электр өткізгіштігі екі үшін бір бөлігін құрайды. Жақсы орау үшін және мысқа қарағанда катушка массасын азайту үшін кейде мыс жалатылған алюминий сымы қолданылады. Анодталған алюминийден жасалған жалпақ сымды қолдануға болады, ол басқа дауыс катушкасы сымдарындағы эмаль қабаттарына қарағанда диэлектрлік бұзылуға төзімді оқшаулау қабатын қамтамасыз етеді. Бұл жеңіл, төмен индуктивті дауыс катушкаларын жасауға мүмкіндік береді, олар кішкентай, кеңейтілген диапазондағы динамиктерде қолдануға өте қолайлы. Мұндай катушкалардың қуатты шектеуі сымды боббинге немесе боббинды өрмелеуге жабыстыратын желімнің жылулық жұмсару температурасымен анықталады. Дауыс катушкаларын дыбыс шығарушылардан басқа да қолдануға болады, онда уақыт бойынша күштің сызықтылығы және ұзақ созылу қажет. Вакуум сияқты кейбір орталар катушкадағы шығындарды азайту үшін концепция кезінде ерекше назар қажет етеді. Жылуды кетіруді жеңілдету үшін бірнеше арнайы әдістерді қолдануға болады.

Because the moving parts of the speaker must be of low mass (to accurately reproduce high frequency sounds without being damped too much by inertia), voice coils are usually made as light weight as possible, making them delicate. Passing too much current through the coil can cause it to overheat (see ohmic heating). Voice coils wound with flattened wire, called ribbon wire, provide a higher packing density in the magnetic gap than coils with round wire. Some coils are made with surface sealed bobbin and collar materials so they may be immersed in a ferrofluid which assists in cooling the coil, by conducting heat away from the coil and into the magnet structure. Excessive input power at low frequencies can cause the coil to move beyond its normal limits, causing distortion and possibly mechanical damage. Power handling is related to the heat resistance of the wire insulation, adhesive, and bobbin material, and may be influenced by the coil's position within the magnetic gap. The majority of loudspeakers use 'overhung' voice coils, with windings that are taller than the height of the magnetic gap. In this topology, a portion of the coil remains within the gap at all times. The power handling is limited by the amount of heat that can be tolerated, and the amount that can be removed from the voice coil. Some magnet designs include aluminium heat sink rings above and below the magnet gap, to improve conduction cooling, significantly improving power handling. If all other conditions remain constant, the area of the voice coil windings is proportional to the power handling of the coil. Thus a 100 mm diameter voice coil, with a 12 mm winding height has similar power handling to a 50 mm diameter voice coil with a 24 mm winding height. In 'underhung' voice coil designs (see below), the coil is shorter than the magnetic gap, a topology that provides consistent electromotive force over a limited range of motion, known as Xmax. If the coil is overdriven it may leave the gap, generating significant distortion and losing the heat sinking benefit of the steel, heating rapidly. Many hi fi, and almost all professional low frequency loudspeakers (woofers) include vents in the magnet system to provide forced air cooling of the voice coil. The pumping action of the cone and the dustcap draws in cool air and expels hot air. This method of cooling relies upon cone motion, so is ineffective at midrange or treble frequencies, although venting of midranges and tweeters does provide some acoustic advantages. In the earliest loudspeakers, voice coils were wound onto paper bobbins, which was appropriate for modest power levels. As more powerful amplifiers became available, alloy 1145 aluminium foil was widely substituted for paper bobbins, and the voice coils survived increased power. Typical modern hi fi loudspeaker voice coils employ materials which can withstand operating temperatures up to 150°C, or even 180°C. For professional loudspeakers, advanced thermoset composite materials are available to improve voice coil survival under severe simultaneous thermal (<300°C) and mechanical stresses. Aluminium was widely used in the speaker industry due to its low cost, ease of bonding, and structural strength. When higher power amplifiers emerged, especially in professional sound, the limitations of aluminium were exposed. It rather efficiently but inconveniently transfers heat from the voice coil into the adhesive bonds of the loudspeaker, thermally degrading or even burning them. Motion of the aluminium bobbin in the magnetic gap creates eddy currents within the material, which further increase the temperature, hindering long term survival. In 1955 DuPont developed Kapton, a polyimide plastic film which did not suffer from aluminium's deficiencies, so Kapton, and later Kaneka Apical were widely adopted for voice coils. As successful as these dark brown plastic films were for most hi fi voice coils, they also had some less attractive properties, principally their cost, and an unfortunate tendency to soften when hot. Hisco P450, developed in 1992 to address the softening issue in professional speakers, is a thermoset composite of thin glassfibre cloth, impregnated with polyimide resin, combining the best characteristics of polyimide with the temperature resistance and stiffness of glassfibre. It withstands brutal physical stresses and operating temperatures up to 300°C, while its stiffness helps maintain the speaker's 'cold' frequency response. The actual wire employed in voice coil winding is almost always copper, with an electrical insulation coating, and in some cases, an adhesive overcoat. Copper wire provides an easily manufactured, general purpose voice coil, at a reasonable cost. Where maximum sensitivity or extended high frequency response is required from a loudspeaker, aluminium wire may be substituted, to reduce the moving mass of the coil. While rather delicate in a manufacturing environment, aluminium wire has about one third of the mass of the equivalent gauge of copper wire, and has about two thirds of the electrical conductivity. Copper clad aluminium wire is occasionally used, allowing easier winding, along with a useful reduction in coil mass compared to copper. Anodized aluminium flat wire may be used, providing an insulating oxide layer more resistant to dielectric breakdown than enamel coatings on other voice coil wire. This creates lightweight, low inductance voice coils, ideally suited to use in small, extended range speakers. The principal power limitation on such coils is the thermal softening point of the adhesives which bond the wire to the bobbin, or the bobbin to the spider and coil. Voice coils can be used for applications other than loudspeakers, where time force linearity and long strokes are needed. Some environments like vacuum or space require specific attention during conception, in order to evacuate coil losses. Several specific methods can be used to facilitate thermal drain.

Терминнің басқа қолданыстары

"Голосовая катушка" термині қазір жалпылама мағынада қолданылады және магнит өрісінде объектіні алға-артқа қозғалту үшін соленоидты пайдаланатын кез келген галванометрге ұқсас механизмды білдіреді. Атап айтқанда, ол көбінесе қозғалатын бас дискіде оқу-жазу басын жылжытатын сым катушкасын білдіру үшін қолданылады. Бұл жағдайда, өте жеңіл сым орамдары тұрақты сирек кездесетін жер элементтерінен жасалған күшті магнит өрісінде орналастырылады. Голосовая катушка – сервожүйенің басқару бөлігі болып табылады, ол бастардың орналасуын қамтамасыз етеді: электрлік басқару сигналы голосовая катушканы итермелейді, ал одан туындаған күш бастарды жылдам және дәл орналастырады.