Голосовая катушка: принцип работы, конструкция и параметры.

Введение

Голосовая катушка (состоящая из каркаса, воротника и обмотки) — это катушка провода, прикрепленная к вершине диффузора громкоговорителя. Она создает движущую силу для диффузора посредством взаимодействия магнитного поля с током, протекающим через нее. Этот термин также применяется к линейным двигателям на голосовой катушке, например, тем, которые используются для перемещения головок в жестких дисках, обеспечивающим большую силу и перемещение на большее расстояние, но работающим по тому же принципу. В некоторых областях применения, таких как электронная регулировка фокуса в цифровых камерах, они известны как двигатели голосовой катушки (VCM).

Операция

Пропуская ток через голосовую катушку, создается магнитное поле. Это магнитное поле заставляет голосовую катушку взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, закрепленного на раме динамика, что приводит к движению диффузора динамика. Подавая на голосовую катушку звуковой сигнал, диффузор воспроизводит звуковые волны, соответствующие исходному входному сигналу.

Относительно конструкции

Поскольку движущиеся части динамика должны обладать малой массой (для точного воспроизведения высокочастотных звуков без чрезмерного подавления инерцией), голосовые катушки обычно изготавливаются максимально легкими, что делает их хрупкими. Превышение допустимого тока через катушку может привести к ее перегреву (см. эффект Джоуля). Голосовые катушки, обмотанные сплющенной проволокой, называемой ленточной, обеспечивают более высокую плотность упаковки в магнитном зазоре, чем катушки с круглой проволокой. Некоторые катушки изготавливаются с использованием поверхностно-герметизированных каркасов и воротничков, что позволяет погружать их в феррожидкость, которая способствует охлаждению катушки, отводя тепло от нее в структуру магнита. Чрезмерная входная мощность на низких частотах может привести к выходу катушки за пределы нормального хода, вызывая искажения и, возможно, механические повреждения. Способность к рассеиванию мощности связана с теплостойкостью изоляции проволоки, клея и материала каркаса, и может зависеть от положения катушки в магнитном зазоре. Большинство громкоговорителей используют "перевешенные" голосовые катушки, обмотки которых выше высоты магнитного зазора. В такой топологии часть катушки постоянно остается в зазоре. Способность к рассеиванию мощности ограничена количеством тепла, которое может быть выдержано, и количеством, которое может быть удалено от голосовой катушки. Некоторые конструкции магнитов включают алюминиевые радиаторы над и под магнитным зазором для улучшения теплоотвода, что значительно повышает способность к рассеиванию мощности. При прочих равных условиях площадь обмотки голосовой катушки пропорциональна ее способности к рассеиванию мощности. Таким образом, голосовая катушка диаметром 100 мм с высотой обмотки 12 мм имеет аналогичную способность к рассеиванию мощности, как и голосовая катушка диаметром 50 мм с высотой обмотки 24 мм. В конструкциях "подвешенных" голосовых катушек (см. ниже) катушка короче магнитного зазора, что обеспечивает постоянную электромагнитную силу в ограниченном диапазоне хода, известном как Xmax. При перегрузке катушка может выйти из зазора, вызывая значительные искажения и потерю преимущества теплоотвода от стали, что приводит к быстрому нагреву. Многие hi-fi и почти все профессиональные низкочастотные динамики (НЧ-динамики) имеют вентиляционные отверстия в магнитной системе для обеспечения принудительного воздушного охлаждения голосовой катушки. Движение диффузора и пылезащитного колпачка создает эффект насоса, затягивая холодный воздух и выталкивая горячий. Этот метод охлаждения зависит от движения диффузора, поэтому он неэффективен в среднечастотном и высокочастотном диапазонах, хотя вентиляция среднечастотных и высокочастотных динамиков обеспечивает некоторые акустические преимущества. В самых ранних громкоговорителях звуковые катушки наматывались на бумажные каркасы, что было уместно для умеренных уровней мощности. С появлением более мощных усилителей алюминиевая фольга сплава 1145 широко заменила бумажные каркасы, и голосовые катушки выдерживали возросшую мощность. Типичные современные hi-fi громкоговорители используют материалы, способные выдерживать рабочие температуры до 150°C, а иногда и до 180°C. Для профессиональных громкоговорителей доступны передовые термореактивные композитные материалы для повышения надежности голосовой катушки при сильных одновременных термических (<300°C) и механических нагрузках. Алюминий широко использовался в динамикостроении благодаря своей низкой стоимости, простоте склеивания и прочности конструкции. С появлением усилителей большей мощности, особенно в профессиональном звуке, ограничения алюминия стали очевидными. Он достаточно эффективно, но нежелательно передает тепло от голосовой катушки в клеевые соединения динамика, вызывая их термическую деградацию или даже возгорание. Движение алюминиевого каркаса в магнитном зазоре создает вихревые токи в материале, которые еще больше повышают температуру, снижая долговечность. В 1955 году компания DuPont разработала Kapton, полиимидную пленку, лишенную недостатков алюминия, поэтому Kapton, а позже Kaneka Apical, получили широкое распространение для изготовления голосовых катушек. Несмотря на успех этих темно-коричневых пленок для большинства hi-fi голосовых катушек, они также имели некоторые менее привлекательные свойства, в основном высокую стоимость и склонность к размягчению при нагревании. Hisco P450, разработанный в 1992 году для решения проблемы размягчения в профессиональных динамиках, представляет собой термореактивный композит из тонкой стеклоткани, пропитанной полиимидной смолой, сочетающий в себе лучшие характеристики полиимида с термостойкостью и жесткостью стекловолокна. Он выдерживает экстремальные физические нагрузки и рабочие температуры до 300°C, а его жесткость помогает поддерживать частотную характеристику динамика в "холодном" состоянии. Фактическая проволока, используемая для обмотки голосовой катушки, почти всегда медная, с электрической изоляцией и, в некоторых случаях, дополнительным клеевым покрытием. Медная проволока обеспечивает простое в изготовлении, универсальное решение для голосовой катушки по разумной цене. В тех случаях, когда требуется максимальная чувствительность или расширенный высокочастотный диапазон, может использоваться алюминиевая проволока для уменьшения движущейся массы катушки. Хотя алюминиевая проволока довольно хрупкая в производственной среде, ее масса составляет примерно одну треть от массы медной проволоки того же калибра, а электропроводность составляет около двух третей. Иногда используется медная проволока с алюминиевым покрытием, что облегчает намотку и снижает массу катушки по сравнению с медной проволокой. Может использоваться анодированная алюминиевая лента, обеспечивающая изолирующий оксидный слой, более устойчивый к пробою диэлектрика, чем эмалевые покрытия на других проводах для голосовой катушки. Это создает легкие, малоиндуктивные голосовые катушки, идеально подходящие для использования в небольших динамиках с расширенным диапазоном. Основным ограничением мощности для таких катушек является температура размягчения клеев, которые соединяют проволоку с каркасом, или каркас с диффузором и центрирующей шайбой. Голосовые катушки могут использоваться и в других областях, кроме громкоговорителей, где требуется линейность силы во времени и большой ход. Некоторые среды, такие как вакуум или космос, требуют особого внимания при проектировании для минимизации потерь в катушке. Существуют различные методы для облегчения теплоотвода.

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.

Другие значения термина

Термин "голосовая катушка" стал обобщенным и относится к любому механизму, подобному гальванометру, использующему соленоид для перемещения объекта взад и вперед в магнитном поле. В частности, он часто используется для обозначения катушки провода, перемещающей головки чтения-записи в жестком диске с подвижной головкой. В этом применении очень легкая катушка провода устанавливается в сильное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами из редкоземельных материалов. Голосовая катушка является приводной частью сервосистемы, позиционирующей головки: электрический управляющий сигнал воздействует на голосовую катушку, а возникающая сила быстро и точно позиционирует головки.