Введение

Главной электрической характеристикой диффузора динамического громкоговорителя является его электрический импеданс как функция частоты. Это можно представить графически в виде кривой импеданса.

Пояснение

Наиболее распространенным типом драйвера является электромеханический преобразователь, использующий голосовую катушку, жестко соединенную с диафрагмой (обычно конусом). Другие типы имеют схожие соединения, хотя и различающиеся в деталях, между их акустической средой и электрическими характеристиками. Голосовая катушка в динамических драйверах подвешена в магнитном поле, создаваемом магнитной системой громкоговорителя. Когда через голосовую катушку проходит электрический ток (от электронного усилителя), магнитное поле, создаваемое катушкой, взаимодействует с постоянным магнитным полем магнита и перемещает голосовую катушку (и, следовательно, конус). Переменный ток заставляет конус двигаться вперед и назад.

Резонанс

Движущаяся система громкоговорителя, состоящая из диффузора, подвеса диффузора, центрирующей шайбы и звуковой катушки, может быть смоделирована как эффективная масса (массо-пружинная система), то есть масса, подвешенная на пружине. Эта система характеризуется определенной массой и жесткостью, а также резонансной частотой, при которой система будет свободно колебаться. Эта частота известна как "резонанс в свободном пространстве" громкоговорителя и обозначается Fs. На этой частоте звуковая катушка вибрирует в магнитном поле динамика с максимальной пиковой амплитудой и скоростью. Противо-ЭДС, генерируемая этим движением, также достигает максимума. Электрический импеданс динамика изменяется в зависимости от противо-ЭДС и, следовательно, от приложенной частоты. Импеданс достигает максимума на частоте Fs, обозначенной как Zmax на графике. Для частот, немного ниже резонансной, импеданс быстро возрастает с увеличением частоты в направлении Fs и имеет индуктивный характер. На резонансной частоте импеданс является чисто резистивным. При увеличении частоты выше Fs импеданс падает и ведет себя как емкостное сопротивление. Импеданс достигает минимального значения, Zmin, на некоторой частоте, где его поведение в определенном диапазоне близко к резистивному. Номинальный импеданс динамика (Znom) выводится из этого значения Zmin, что будет объяснено далее. После точки Zmin импеданс снова становится преимущественно индуктивным и продолжает постепенно возрастать с частотой. Частота Fs, а также частоты выше и ниже нее, где импеданс равен Zmax, важны для определения параметров Т/С громкоговорителя. Эти параметры могут быть использованы, например, для проектирования подходящего корпуса для динамика, особенно для низкочастотных динамиков. Фактически, Fs сам по себе является одним из параметров Тиля-Смолла.

Импеданс нагрузки и усилители

Изменение импеданса акустической системы – важный аспект при разработке аудиоусилителя. Усилители, рассчитанные на работу с такими изменениями, отличаются повышенной надежностью. При подборе акустической системы к усилителю необходимо учитывать два основных фактора.

Минимальный импеданс

Это минимальное значение в зависимости импеданса от частоты, которое всегда выше постоянного сопротивления звуковой катушки, то есть измеренного омметром. Минимальный импеданс важен, поскольку чем ниже импеданс, тем больший ток требуется при одинаковом напряжении. Выходные каскады усилителя рассчитаны на определенный максимальный уровень тока, и при его превышении устройство (или устройства) может выйти из строя более или менее быстро.

Номинальная импеданс

В силу реактивной природы импеданса динамика в диапазоне аудиочастот, присвоить динамику одно конкретное значение "импеданса" принципиально невозможно, о чем свидетельствует приведенная выше зависимость импеданса от частоты. Номинальный импеданс громкоговорителя – это удобное, единичное число, которое приблизительно описывает значение импеданса громкоговорителя в большей части аудиодиапазона. Номинальный импеданс динамика определяется как:

График показывает кривую импеданса одного динамического излучателя в свободном воздухе (не установленного в каком-либо корпусе). Система домашних Hi-Fi громкоговорителей обычно состоит из двух или более излучателей, электрической кроссоверной сети для разделения сигнала по частотным диапазонам и направления его на соответствующие излучатели, а также корпуса, в котором установлены все эти компоненты. Кривая импеданса такой системы может быть очень сложной, и простая формула, приведенная выше, не всегда к ней применима. Номинальный импеданс систем громкоговорителей, предназначенных для потребительского использования, может помочь в выборе подходящего громкоговорителя для данного усилителя (или наоборот). Если домашний Hi-Fi усилитель рассчитан на нагрузку 8 Ом и выше, следует избегать использования громкоговорителей с более низким импедансом, чтобы не перегрузить усилитель током, превышающим его расчетные возможности. Использование 4-омной системы громкоговорителей с усилителем, рассчитанным на 8 Ом и выше, может привести к выходу усилителя из строя.

Угол фазы импеданса

Изменения импеданса нагрузки в зависимости от частоты приводят к изменению фазового соотношения между выходным напряжением и током усилителя. Для резистивной нагрузки обычно (но не всегда) напряжение на выходных устройствах усилителя максимально, когда ток нагрузки минимален (и напряжение на нагрузке минимально), и наоборот, что приводит к наименьшему рассеиванию мощности в этих устройствах. Однако, из-за сложного и переменного характера импеданса динамика/кроссовера и его влияния на фазовое соотношение между напряжением и током, ток не обязательно будет минимальным, когда напряжение на выходных устройствах максимально – это приводит к увеличению рассеивания мощности на выходной каскаде усилителя, которое проявляется в виде нагрева этих устройств. Фазовый угол наиболее сильно изменяется вблизи частоты резонанса динамиков с подвижной катушкой. Если этот фактор не учитывается при проектировании усилителя, он может перегреться, что приведет к его отключению или выходу из строя выходных устройств. Подробнее см. в статье "Коэффициент мощности".

Вопросы демпинга

Громкоговоритель действует как генератор, когда катушка движется в магнитном поле. Когда катушка громкоговорителя движется в ответ на сигнал от усилителя, катушка генерирует противо-ЭДС, которая сопротивляется сигналу усилителя и действует как "тормоз", останавливая движение катушки. Эффект торможения критически важен для конструкции динамиков, поскольку конструкторы используют его для обеспечения быстрого прекращения звука и позиционирования катушки для воспроизведения следующего звука. Электрический сигнал, генерируемый катушкой, возвращается по кабелю динамика к усилителю. Хорошо спроектированные усилители имеют низкий выходной импеданс, чтобы этот генерируемый сигнал оказывал минимальное влияние на усилитель. Твердотельные усилители, как правило, имеют значительно более низкий выходной импеданс, чем ламповые. Настолько, что различия между драйвером с номинальным импедансом 16 Ом и драйвером с номинальным импедансом 4 Ом часто оказываются недостаточно существенными для внесения корректировок. Коэффициент демпфирования усилителя, который представляет собой отношение номинального импеданса нагрузки (голосовой катушки драйвера) к выходному импедансу усилителя, в обоих случаях является достаточным для хорошо спроектированных твердотельных усилителей. Ламповые усилители имеют достаточно высокий выходной импеданс, поэтому обычно включают в себя выходные трансформаторы с несколькими отводами для лучшего согласования с импедансом драйвера. Драйверы (или акустические системы) с импедансом 16 Ом подключаются к 16-омному отводу, 8 Ом – к 8-омному отводу и так далее. Это важно, поскольку соотношение между импедансом громкоговорителя и импедансом усилителя на определенной частоте обеспечивает демпфирование (то есть поглощение энергии) противо-ЭДС, генерируемой драйвером. На практике это необходимо для предотвращения звона или затягивания, которые по сути представляют собой свободные колебания движущихся частей драйвера при воздействии на него сигнала на этой частоте. Это хорошо видно на графиках измерения водопадом. Правильно настроенный коэффициент демпфирования может контролировать эти свободные колебания движущихся частей и улучшить звучание драйвера.