Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Излучатели звука и ультразвука

Если микрофоны выполняют функции, аналогичные уху человека, то излучатели звука подобны его голосовому аппарату. Поскольку возможности человеческого голоса ограничены, то издавна старались его усилить, например, сконцентрировать рупорами.

Развитие электро- и радиосвязи, а также собственно звуковоспроизведения привело к созданию многих оригинальных устройств.

В электроакустических преобразователях энергия электрических колебаний превращается в энергию излучаемого звука. Типичными излучателями являются громкоговорители и телефоны (здесь под термином «телефон» подразумевается именно излучатель звука, а не телефонный аппарат).

По способу преобразования колебаний громкоговорители и телефоны подразделяются на электродинамические катушечные (подавляющее число типов громкоговорителей), электромагнитные (основное число телефонов), электростатические, пьезоэлектрические и др.; по виду излучения — на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные; по воспроизводимому диапазону — на широкополосные, низко-, средне- и высокочастотные; по потребляемой электрической мощности — на мощные и маломощные.

К техническим характеристикам громкоговорителей и телефонов относятся следующие понятия: номинальная мощность; частотная характеристика по звуковому давлению и ее неравномерность; среднее стандартное звуковое давление (отдача); входное сопротивление; характеристика направленности и др.

Из всех известных видов акустических преобразователей массовое применение в любительской практике нашли электродинамические громкоговорители, в просторечии называемые «динамиками», электродинамические головки прямого излучения и пьезокерамические СЧ и ВЧ излучатели.

Электродинамический громкоговоритель был изобретен и запатентован американцами Райсом и Келлогом в 1925 г. За прошедшее время наиболее заметные изменения в его конструкции связаны с появлением новых материалов для изготовления диффузоров и магнитных систем.

В электродинамическом громкоговорителе (рис. 18) для преобразования электрических колебаний звуковых частот в механические используют взаимодействие поля постоянного магнита с током в подвижной катушке, подключенной к источнику электрических колебаний.

Рис. 18. Громкоговорители:

_{а — внешний вид;б — вид в разрезе (1 — диффузородержатель; 2 — подвес; 3 — диффузор; 4 — пылезащитный колпачок; 5 — звуковая катушка: 6 — гибкие выводы; 7 — магнит; 8 — центрирующая шайба); в — УГО; г — компонент EWB}

Катушка, располагаемая в кольцевом зазоре магнита, и жестко связанная с ней диафрагма вместе с магнитной системой образуют так называемую головку громкоговорителя. Взаимодействие тока с магнитным полем вызывает механические колебания диафрагмы, сопровождающиеся излучением звуковых волн либо непосредственно (громкоговорители прямого излучения), либо через рупор (в рупорных громкоговорителях). Качество звучания существенно зависит от типа корпуса, в который помещают громкоговоритель.

Характерные значения сопротивления звуковой катушки электродинамических громкоговорителей составляют 4 и 8 Ом. Типичные значения полной электрической мощности лежат в пределах 0,05…100 ВА. Узкополосные громкоговорители обеспечивают воспроизведение в сравнительно узком интервале частот: сабвуфер (сверхнизкочастотный громкоговоритель) — 20…120 Гц; вуфер (низкочастотный громкоговоритель) — 150…250 Гц; мидрендж (среднечастотный громкоговоритель) — 250…2000 Гц; твитер (высокочастотный громкоговоритель) — 3,5 кГц и выше. Широкополосные громкоговорители обеспечивают работу в большом интервале частот, например 40…15 000 Гц.

В пьезокерамических источниках звука используется «обратный пьезоэффект» — механическая деформация пьезоэлектриков (кварц, сегнетова соль, пьезокерамика) в электрическом поле. Очевидно, первой технической конструкцией подобного излучателя следует считать кварцевый излучатель Шиловского-Ланжевена, изобретенный 1916 г. и использованный в гидролокации.

Современные пьезокерамические излучатели звука выполняют двух- и трехэлектродными. В двухэлектродных излучателях пьезокварцевая пластинка, имеющая металлизированное покрытие с двух сторон, одной из них прикрепляется к металлической диафрагме.

Переменное напряжение, подводимое к диафрагме и другой стороне токопроводящего покрытия на пластинке, вызывает переменные деформации системы, приводящие к излучению звука в окружающую среду. Трехэлектродные устройства имеют дополнительный электрод типа язычка, доходящего до центра пластинки. Сигнал, снимаемый с этого электрода, находится в противофазе с основным возбуждающим сигналом, подаваемым на основные электроды и используется для обратной связи в системе управления. Подобные устройства используют как высокочастотные громкоговорители и излучатели ультразвука (рис. 19).

Рис. 19. Пьезоизлучатель МастерКИТ AK076:

_{а — внешний вид; б — модельный пьезокварц в EWB}

В конце прошлого века британское министерство обороны объявило о разработках результатов исследований звукоизоляции в кабинах военных самолетов активными шумоподавителями в виде плоского панельного громкоговорителя системы NXT(New Transducer Technology — новые технологии преобразования). NXT — это технология плоских панелей, при которой ее возбуждение осуществляется из одной точки с помощью электродинамических, пьезоэлектрических или других возбудителей. Материалом панели могут служить картон, пластмасса, композиты из углеродного волокна и т. д. Основная идея заключается в получении максимально случайного характера движения любых двух соседних точек поверхности панели относительно друг друга.

В отличие от обычных многополосных громкоговорителей, для воспроизведения всего звукового диапазона используется одна панель NXT, возбуждаемая при помощи одного-единственного преобразователя. При площади 0,6 кв. м нижняя граничная частота составляет 100 Гц, а верхняя — 18 кГц, отклонения частотной характеристики при этом сравнимы с обычными громкоговорителями.

При увеличении площади до 1,5 м² низкочастотная граница уменьшается до 60 Гц. Панели NXT могут работать при размерах от 25 см² до 100 м². Самые маленькие могут быть использованы в системах мультимедиа совместно с ноутбуком (в том числе в сопряжении с «антибликовым» экраном), а самые большие — в кинотеатрах, служа одновременно экраном. В автомобильной акустике подобные устройства могут быть выполнены в виде полки под задним стеклом или фрагмента дверной обшивки, а в помещениях — имитировать его архитектурные фрагменты. При воспроизведении Hi-Fi к относительным недостаткам NXT можно отнести некоторое ограничение полосы низких частот, а также утрату точной локализации.