Как работает динамик

...а у динамика тоже есть мотор.
Причем по всем принятым канонам "мотор" динамика - магнитная система и звуковая катушка, соответствуют определению "электрическая машина постоянного тока", хотя, как нам всем хорошо известно, постоянным током там и не пахнет.

Просто машиной постоянного тока считается такая, где постоянное магнитное поле напрямую воздействует на проводник с током (то есть звуковую катушку) безо всяких там вращающихся магнитных полей и прочего, что порождает мотор переменного тока.

От обычного двигателя постоянного тока "мотор" динамика отличается тем, что, во-первых, вытянут в линию и создает прямолинейное движение, а не вращательное (кроме одного-единственного динамика в мире - Феникс-Голдовского Циклона), и не имеет коллектора - за ненадобностью (здесь исключений, к счастью, нет).

Основа привода динамика осталась практически без принципиальных изменений со времен выдачи первого патента в 1925 г.

Вложение 681874Пять основных частей привода неизменны и незыблемы, как схема разделки мясной туши: магнит, полюсный наконечник, передний и задний магнитопроводы и звуковая катушка.
Задача первых четырех элементов - создать по возможности мощное магнитное поле и сконцентрировать его в зазоре между полюсным наконечником и верхним магнитопроводом.
А "пятый элемент" - звуковая катушка , обязан в этом поле двигаться при протекании по обмотке тока. Все вроде бы просто. Однако подробностей за эти годы выяснилось немало.


Самая консервативная часть привода - материал магнитопроводов.

Вложение 681876Ничего, кроме магнитомягких материалов, а проще говоря - отожженной малоуглеродистой стали, почти чистого железа, здесь не применяется. С материалами для магнитов колдовали долго, вначале перепробовав разнообразные литые магниты из специальных сплавов, а затем, с разработкой ферритовых композиций, вопрос практически закрылся. Металлические магниты теперь применяются практически исключительно в пищалках, где масса магнита мала и можно использовать значительно более эффективные редкоземельные сплавы - почти всегда на основе неодима.

Крупных магнитов из неодимовых сплавов не делают лишь потому, что элемент этот в самом деле редкий, и большая часть выпуска идет, как это ни обидно для нас, на изготовление прецизионных электроприводов и микродвигателей.

Момент истины в проектировании привода- как обеспечить эффективное взаимодействие магнитного поля и звуковой катушки, которая в него погружена. Геометрия и пропорции рабочего зазора магнитной системы и звуковой катушки - необъятный простор противоречий и компромисов, еще более запутанных, нежели в "Деле о диффузорах".

Основной параметр, определяющий результаты этого взаимодействия - так называетмый силовой фактор B x L, часто (почти всегда) приводимый в технических характеристиках породистых динамиков.
Силовой фактор - произведение индукции в зазоре на длину провода звуковой катушки, находящуюся в пределах этого зазора.
Чем больше силовой фактор, тем более контролируемым становится движение диффузора и тем больше его электрическое демпфирование. Ясно, что чем массивнее магнит, тем силовой фактор будет больше, поскольку будет больше индукция. Но последняя величина зависит также и от размеров зазора: чем шире кольцевая щель в магнитной системе, чем она большего диаметра и чем она глубже (чем толще верхний магнитопровод), тем меньше будет индукция в зазоре, поскольку магнитное поле окажется "размазанным" в пространстве.
Сделать зазор узким, маленьким и неглубоким - и негде будет поместить звуковую катушку, намотанную достаточно толстым проводом. Уменьшить сечение провода - возрастет сопротивление и упадет отдача. И так далее. А если принять во внимание, что диаметр звуковой катушки небезразличен и для поведения диффузора, ситуация еще усложняется.

Существует два основных типа геометрии звуковой катушки в зазоре: короткая катушка (underhung voice coil) и длинная катушка (overhung voice coil)
Длинной звуковая катушка по длине существенно превышает глубину зазора в магнитной системе и в каждый момент "работает" только часть витков, находящаяся в пределах его глубины. Эта часть, а, следовательно, длина пповода, находящаяся в зазоре, будет оставаться неизменной пока внутрь зазора не войдет край катушки. Динамик считается работающим в линейном диапазоне перемещений диффузора, именно до этого момента. То, насколько катушка длиннее зазора и будет определять максимальный линейный ход диффузора - знаменитый X max.

Вложение 681878Вложение 681880

Но, поскольу только те витки, что попали "в поле" реально работают, плотность намотки стараются сделать наибольшей и именно за этим придумали в свое время ленточную намотку плоским проводом, уложенным на ребро. Сейчас много- (обычно - трех-)слойные катушки, выполненные обычным круглым проводом, мирно уживаются с однослойными ленточными, а высший пилотаж в смысле плотности намотки показала датская компания Dynaudio, которая использует провод шестиугольного сечения, полностью заполняющий медью сечение обмотки. В результате, правда, каждую звуковую катушку наматывают вручную в течение 30 минут (по норме), что потом соответственно отражается в цене готовой продукции.
Вложение 681882
Привод с длинной звуковой катушкой применяется в подавляющем большинстве низкочастотных динамиков и любим производителями за возможность получить большую индукцию в коротком зазоре, сделать звуковую катушку большой и хорошо охлаждаемой, получить большой ход дифузора.
Короткая катушка в пределах линейного диапазона находится полностью внутри магнитного зазора. Сам зазор при этом приходится делать длиннее, а катушку - короче, поэтому типичные значения силового фактора B x L у таких динамиков - меньше. Казалось бы, при таких делах можно эту конструкцию и похоронить, но именно она обеспечивает наименьшие искажения при больших ходах диффузора.

Типичная картина изменения силового фактора со смещением звуковой катушки для двух типов привода выглядит следующим образом:

Вложение 681884

У длинной звуковой катушки поведение в пределах линейной области пристойное, а за его пределами - значение силового фактора (а, значит, вносимые искажения) меняется довольно плавно. При выходе короткой катушки из зазора искажения нарастают быстро, зато пока этого не случилось, линейность - идеальная. Так что, если в материалах по динамику с гордостью сообщается, что у него - underhung voice coil - для гордости есть причины, посокльку потенциально этот динамик обеспечит наименьшие искажения при умеренных подводимых мощностях.

В качестве ориентира, основанного на лабораторных испытаниях большого числа динамиков, можно считать, что для динамиков с короткой звуковой катушкой допустимое смещение диффузора совпадает с указанным (определенным геометрически по длине зазора и катушки) а при длинной - составляет примерно X max + 15%. При такой амплитуде искажения, вызванные изменением B x L составят примерно 3%, в основном - на третьей гармонике.

Здесь есть одна тонкость: различные сочетания длины звуковой катушки и глубины зазора определяют разное поведение динамика на границе его линейного диапазона (и за ней). Возьмем два динамика - у одного глубина зазора (толщина верхней плиты магнитной системы 8 мм, а длина звуковой катушки - 12 мм. У другого - 4 мм и 8 мм соответственно. Максимальный рабочий ход диффузора у обоих будет одинаковым - 2 мм (12-8)/2 = (8-4)/2 = 2.

Однако у первого, с большим отношением глубины зазора к X max за пределами линейного диапазона, нелинейность будет нарастать относительно плавно, а второй = захрипит уже при незначительном превышении X max. Так что есть прямой смысл смотреть не только на величину X max из документации, но и на толщину переднего магнитопровода на самом динамике - чем больше, тем лучше.
Вложение 681886

Другой источник искажений, определяемых конструкцией привода - его ассиметрия.

В идеальном случае сила, действующая на звуковую катушку при движении в одну и другую сторону, то есть внутрь магнитной системы и наружу, должны быть одинаковы по величине. Не будет этого - искажения сигнала неизбежны. Для этого магнитное поле, создаваемое в зазоре, должно быть максимально симметричным. Так бы оно и случилось, без особых ухищрений, если бы все магнитное поле оказывалось в зазоре. На деле этого не происходит и силовые линии поля "выплескиваются" из зазора и образуют поле рассеяния. Но, поскольку выше зазора - воздух, а ниже - сталь полюсного наконечника, рассеяние происходит существенно несимметрично.

Чтобы как-то навести симметирию, некоторые фирмы применяют более сложную геометрию рабочего зазора магнитной системы. Некоторые, например, просто удлинняют полюсный наконечник (Kicker, например, очень это любит.)

В результате магнитная обстановка сверху и снизу существенно выравнивается, но дается это в результате увеличения общего рассеяния - силовые линии "лезут" вверх по стволу удлинненного полюсного наконечника, а место им - в зазоре, все остальное - нежелательные побочные поля. Для компенсации возросшего рассеяния приходится ставить более мощные магниты.

Вложение 681888Вложение 681890


Другие фирмы идут "от противного" и уменьшают рассеяние ниже магнитопровода, для чего полюсный наконечник делается ступенчатым.
Более "тощий" ствол замыкает на себя меньше силовых линий и они поневоле скапливаются в зазоре, но (без но нигде не обходится) возрастает общее магнитное сопротивление системы и падает индукция в зазоре .

Вложение 681910

Вообще, магнитное сопротивление стараются сделать возможно меньшим, для этого часто полюсный наконечник выполняют заодно с нижним магнитопроводом, чтобы не было лишнего стыка, хотя это намного хлопотнее, чем сделать их по отдельности и соединить при сборке.

Еще одно, довольно эфективное, но не очень распространенное решение - полюсный наконечник с выемкой, можно найти в довольно пафосных марках динамиков. Здесь, помимо усложнения технологии, возрастает чувствительность к разбросу характеристик магнита, поэтому менее притязательные изготовители головок на такое решение идут неохотно.

Вложение 681912

Особняком стоят радикальные решения - вывернутые "наизнанку" магнитные системы, у которых магнит - внутри звуковой катушки, а все, что вокруг - магнитопровод, замыкающий магнитную цепь.
Такое до сих пор удалось только трем фирмам - Phase Linear в их сабвуферах с сотовыми поршнями, Dynaudio и Morel, больше известным по автомобильной серии Macrom. Такие "обращенные" магнитные системы сделаны главным образом для того, чтобы улучшить линейность работы диффузора, а с точки зрения их функционирования как "мотора" - сплошная головная боль для разработчиков - оттого они и редки.
Вложение 681914

Привод динамика, как любая машина постоянного тока - обратим, то есть одновременно работает и как своего рода трансформатор.

При движении звуковой катушки в мощном магнитном поле в ней наводится ЭДС и протекает ток, поскольку катушка закорочена практически нулевым выходным сопротивлением усилителя. Этот ток приводит к модуляции магнитного поля в зазоре, а поскольку звуковая катушка то "надета" на полюсный наконечник, то вылезает наружу, характер этой модуляции тоже ассиметричен и приводит к дополнительным искажениям.
Для снижения этих нежелательных эффектов необходимо сделать так, чтобы, оставаясь эффективным двигателем, привод динамика перестал быть эффективным трансформатором. Известно, что злейший враг трансформатора - короткозамкнутые витки. Вот их-то и поставили на службу обществу в усовершенствованных магнитных системах.

Чаще всего такие короткозамкнутые витки делаются в виде покрытия медью (электролитическим способом) верхнего торца полюсного наконечника,
Вложение 681916
установки медного же (реже - алюминиевого) наконечника…

Вложение 681918
…или с помощью так называемого "стабилизатора магнитного потока" - проводящего кольца, установленного у основания полюсного наконечника.

Вложение 681920
Побочным (позитивным) эффектом от короткозамкнутых витков в различных вариантах является уменьшение индуктивности звуковой катушки, из-за влияния которой с повышением частоты растет импеданс НЧ головок, и приходится принимать меры по его стабилизации, иначе будет "врать" разделительный фильтр . Поэтому косвенно о наличии описанных устройств в конструкции динамика можно судить по величине индуктивности звуковой катушки (опять же, приводимой ответственными производителями).
Если величина этой индуктивности и 5 - 6 дюймового мидбаса не превышает 0,3 - 0.4 мГн, а сабвуфер 10 - 12 дюймов - 0,6 - 1,0 мГн, можно дать голову на отсечение, что создатели динамика позаботились о стабилизации потока, за что им можно быть только признательными.

Андрей ЕЛЮТИН ( АЗ )