Материал: Проектирование и конструирование высококачественных акустических систем. Бадаев А.С

под действием внешнего электрического поля, в результате домены преимущественно ориентируется в направлении приложенного поля. После его снятия сохраняется устойчивая остаточная поляризация, материал становится полярно текстурированным, обладающим пьезоэффектом. Величина пьезомодулей, определяющих пьезоэлектрические параметры, зависит от величины электрического напряжения, температуры и времени выдержки в процессе поляризации.

Рис. 4.8.Конструкция пьезопленочного громкоговорителя: 1 — контакты; 2 — пьезоэлектрическая пл нка;

3 — мягкая подложка

Для производства пьезокерамических ГГ в основном используются системы на основе цирконат–титанат–свинца–натрий–ниобата с различными модификаторами. Материалы на основе цирконат–титанат–свинца представленной собой твердые растворы титаната свинца PbTiO3 и цирконата свинца

PbZrO3 с добавками окислов Nb2O3,Ta2O3,La2O3,Nd2O3 и других, они носят наиме-

нование ЦТС-керамики. Лучшим материалом из этой системы является пьезокерамика ЦТС-22, обладающая высокой стабильностью диэлектрической проницаемости, пьезомодуля и резонансных частот.

Из ниобатных керамик вполне удовлетворительные характеристики имеет пьезоэлектрик с химической формулой (Na1−xLx )NbO3 .

К достоинствам данного вида излучателей следует отнести: экономичность и малую массу.

В ионизационных (плазменных) ГГ, которые иногда называют плазмотро-

нами и ионофонами, отсутствует посредник — диафрагма между электрическими колебаниями и колебаниями воздуха — возбуждается и излучает сам ионизированный воздух. Ионизацию осуществляют сигналом высокой частоты, нагревая до высоких температур воздух в определ нном объ ме. Модулируя высокочастотный сигнал звуковым сигналом, добиваются возбуждения колебаний ионизированных частиц воздуха и излучение звука. Такой оригинальный способ возбуждения обеспечивает безынерционное воспроизведение звука без переходных искажений. Пример конструкции плазменного излучателя приве-

д н на рис. 4.9 [8].

55

Рис. 4.9. Плазменный излучатель МР–02 фирмы «Магнат» (ФРГ)

Излучатель конструктивно объединяет в себе сферу из металлической сетки и усилитель-генератор. При подаче ВЧ-напряжения на электрод, расположенный внутри сферы, возникает фиолетовое свечение — зажигается плазма, объ м которой примерно 1см3. Диапазон воспроизводимых частот такого излучателя составляет 5–100000 Гц, коэффициент нелинейных искажений — 0,8%, уровень характеристической чувствительности — 89 дБ.

Подобные ГГ выпускают фирмы «Plasmatronic» (США), «Audax» и «Transpulsar» (Франция) и др.

Цифровые ГГ впервые появились в 1980 г, излучатель фирмы «BellTelephone Lab» (США), разработанный для телефонов, представлял собой электрод в форме диска, на котором была закреплена электретная пленка. Электрод делился на изолированные сегменты с соотношением площадей , где n

— число разрядов, n = 4, 3, 2, 1, 0, цифровой сигнал возбуждал те сегменты, площадь которых соответствовала его значимости. В более поздних электретных и пьезоэлектрических цифровых излучателях фирмы «Sony» электроды делились на радиальные секции равной площади и подключались группами, число которых зависело от разрядности цифрового сигнала. Фирма «Matsushita» предложила объединить излучающие сегменты в группы, соответствующие весовому коэффициенту разряда.

Вначале 80-х гг. фирмами «Philips» и «Sony» начались разработки электродинамических цифровых ГГ. Предлагалось использование нескольких секционированных звуковых катушек вместо одной по числу бит кодированного сигнала. В начале 21 века фирма «B&W» сообщила результаты работ по созданию подобных излучателей.

Вконце 90-х исследователи университета Шинцу (г. Нагано — Япония) разработали и продемонстрировали пьезоэлектрическую цифровую ГГ, напрямую преобразующую 16-битный цифровой сигнал с частотой дискретизации 48 кГц. Параметры ГГ следующие: диапазон воспроизводимых частот 35–12000 Гц, коэффициент гармоник на частоте 50 Гц — 3% и 0,2% на 10 кГц, чувствительность 85 дБ, неравномерность АЧХ во всем диапазоне частот ±3 дБ, что

56

очень неплохо. Тем не менее, качество звучания первого поколения цифровых ГГ оставалось невысоким. Их малая разрядность (не более 6) делала уровень шумов квантования слишком большим для использования в АС, особенно категории Hi-Fi. Определенный прорыв произошел в 2000 году, когда фирма «B&W» и университет г. Брайтон (Англия) предложили конструкцию АС, состоящей из плоской распределенной решетки на основе единичных излучателей, объединяемых в группы в зависимости от разряда цифрового сигнала. Было предложено два направления развития этого типа ГГ — увеличение числа разрядов квантования для снижения шумов и коррекцию сигнала для компенсации собственных искажений излучателя.

Идея получила дальнейшее развитие в работах специалистов фирмы «Audio Signal Processing Espo» (Финляндия) и ученых университета г. Хельсинки, которые разработали алгоритм действия решетки излучателей, оптимизирующего АЧХ и ФЧХ системы и ее направленность в любой частотной полосе. Этот метод коррекции был использован британской фирмой «1.. limited», которая в сотрудничестве с компаниями «ARM Ltd» (микропроцессоры) и «Cambridge Display Technology» (пленочные технологии) в 2002 г разработала и продемонстрировала АС «The Digital Sound Projector».

В этих АС использовались 256 отдельных излучателей, воспроизводящих единичные импульсы, а общее поле формировалось сложением излучения каждого излучателя, управляемых процессором фирмы «Analog Devices». Этот процессор контролировал уровень громкости и АЧХ, а также компенсировал искажения — как от декодирования сигнала, так и от интерференции звуковых волн. В отличие от первых цифровых ГГ, использовавших бинарное кодирование, АС «The Digital Sound Projector» осуществляли 256-уровневое развертывание, эквивалентное 8-битному бинарному. Кроме того, отмечен очень высокий КПД разработанных АС, который может достигать 10%, что сравнимо с аналогичным параметром рупорных ГГ.

Рупорные ГГ, в отличие от ГГ прямого излучения, передают звуковые колебания в окружающую среду через рупор-трубу с постепенно возрастающим сечением. Рупора бывают разной формы: конические, экспоненциальные, параболические и гиперболические, раскрывающиеся по закону трактрисы и т.д. Кроме того, различают узко- и широкогорлые рупорные ГГ, в узкогорлых ГГ площадь «горла» — входа рупора меньше площади диафрагмы, и последняя сопрягается с «горлом» посредством предрупорной камеры, в широкогорлых — диафрагма непосредственно примыкает ко входу рупора. В принципе, любая ГГ может быть нагружена на рупор, на рис. 4.10 [8] представлена конструкция узкогорлой рупорной ГГ на основе электродинамической катушечной купольной ГГ.

57

Рис. 4.10. Конструкция рупорной ГГ:

1 — противоинтерференционный вкладыш;

2 — диафрагма; 3 — гибкий подвес;

4 — зазор магнитной системы;

5 — верхний фланец; 6 — магнит; 7 — нижний фланец; 8 — керн; 9 — катушка;

10 — предрупорная камера; 11 — горло

Противоинтерференционный вкладыш — тело Венте предназначен для выравнивания фазовых сдвигов акустических волн, излучаемых различными участками диафрагмы, поскольку при использовании купольных диафрагм звуковые волны от их различных участков проходят разное расстояние до точки прослушивания. Рупорные ГГ бывают средне- и высокочастотными, они отличаются от ГГ прямого излучения очень высоким КПД, составляющим более 20% (1–2% у обычных ГГ). Такие показатели достигаются применением предрупорной камеры, представляющей собой своеобразный акустический трансформатор, согласующий входное сопротивление рупора с механическим сопротивлением ГГ, и концентрацией звуковой энергии вдоль оси рупора. Однако при разработке и эксплуатации рупорных ГГ возникают определенные проблемы: во-первых, увеличение нелинейных искажений из-за высоких уровней звукового давления в малой предрупорной камере, во-вторых, сужение диафрагмы направленности на высоких частотах за счет осевой концентрации звуковой энергии. Для решения первой проблемы следует грамотно выбрать и рассчитывать нижнюю граничную частоту и форму рупора, коэффициент трансформации камеры, равный отношению площадей диафрагмы и «горла» и объем камеры. Для расширения диаграммы направленности, особенно в горизонтальной плоскости, применяют различные решения: экспоненциальный рупор цилиндри-

ческой волны, секционированные рупора, рупора с акустическими рассеивающими линзами, радиальные и рупора равномерного покрытия и т.д. Схемы не-

которых из них приведены на рис. 4.11 [1,8–10].

58

в)

Рис. 4.11. Схемы различных рупорных ГГ:

а) экспоненциальный рупор цилиндрической волны; б) секционированный рупор; в) акустические линзы; г) радиальный рупор; д) рупор равномерного покрытия

59