Короткі теоретичні відомості

Гучномовець – пристрій, що служить для перетворення електричних сигналів звукової частоти в акустичні коливання і випромінювання їх у навколишній повітряний простір. У загальному випадку гучномовець містить одну або кілька головок гучномовця, що є электроакустическими перетворювачами, акустичне оформлення й електричні пристрої (фільтри, трансформатори, регулятори і т.п.). Акустичне оформлення не бере участь у електроакустичному перетворенні, а лише підвищує ефективність і якість випромінювання звуку. В окремому випадку (як у даній лабораторній роботі) гучномовцем є сама випромінююча головка.

Найбільше поширення одержали електродинамічні дифузорні гучномовці, що забезпечують різні вихідні потужності (від сотих часток до сотень Вт) і широкий діапазон відтворюваних частот.

Типова конструкція широкополосного електродинамічного дифузорного гучномовця показана на рис. 2.1.

Електродинамічна система складається з рухливої котушки, розташованої в кільцевому зазорі магнітного кола, утвореного постійним кільцевим магнітом, двома фланцями і керном. Струм звукової частоти, що проходить через котушку, утворює навколо неї змінне магнітне поле, що взаємодіє з радіальним магнітним полем постійного магніту і створює осьову силу

F = Bli,

де B – магнітна індукція в зазорі; l – довжина проводу котушки; i – струм у котушці. Ця сила надає руху дифузорові, жорстко скріпленому з котушкою і шайбою, що центрує, і підвішений до корпуса по зовнішньому краю. При цьому дифузор працює як поршневий випромінювач з одним ступенем свободи (в осьовому напрямку), створюючи акустичні хвилі звукової частоти. Шайба, що центрує, виключає радіальний зсув котушки і дифузора та захищає котушку від затирання й ушкодження, а також забезпечує рівномірність розподілу магнітної індукції в зазорі, зменшуючи тим самим нелінійні спотворення. Додатковий дифузор, виконаний у виді жорсткого конуса, служить для розширення діаграми спрямованості і поліпшення відтворення вищих частот (вище 10 кГц) і може бути відсутнім. В окремих випадках постійний магніт може бути виконаний у виді керна. При цьому поле розсіювання зводиться до мінімуму і гучномовець не створює перешкод радіоприйому. Конструкція вузькосмугових середньочастотних і високочастотних гучномовців може істотно відрізнятися.

Якість гучномовця може бути оцінене по ряду параметрів і характеристик, регламентованих державними і міжнародними стандартами.

Номінальна потужність Р_н, Вт – максимальна підведена електрична потужність, при якій нелінійні спотворення не перевищують допустимі значення в заданому діапазоні частот (наприклад: для НЧ головок гучномовців – 7...10 % на частоті від 100 до 200 Гц; для акустичних систем першої групи складності – 2% у діапазоні частот 250…2000Гц). Гучномовець не повинний виходити з ладу при тривалому її впливі.

Рекомендація МЭК (міжнародної електротехнічної комісії) для акустичних систем визначає номінальну потужність як таку, що відповідає номінальному середньому звуковому тискові не менш 1 Па (рівень звукового тиску 94 дБ) на відстані 1 м від акустичної системи.

У німецькому стандарті DIN 45500, використовуваному в ряді європейських країн, замість номінальної потужності введене поняття робочої потужності, що відповідає середньому звуковому тискові 1,2 Па (рівень звукового тиску 96 дБ) на відстані 1 м від акустичної системи у діапазоні частот 100…4000Гц.

Часто використовують величину паспортної (максимальної шумової) потужності – найбільшої неспотвореної потужності підсилювача, при якій гучномовець може довгостроково (протягом 100 годин) працювати без теплових і механічних ушкоджень при реальному звуковому сигналі (із шумовим сигналом типу "рожевий шум") у заданому діапазоні частот. Паспортна потужність звичайно в 1,5...2 рази більше номінальної потужності.

Деякі фірми в рекламних цілях приводять значення РМРО (Peak Music Power Output) потужності – максимальної потужності, яку може витримати гучномовець без пошкоджень на протязі короткого (≈ 2 с) часу. Для визначення РМРО не існує єдиної методики, тому вона непридатна для реальної оцінки гучномовця. Реальна середньоквадратична потужність приблизно у 5 разів менша.

Стандартний звуковий тиск р_ст, Па – звуковий тиск, що розвивається гучномовцем на відстані 1 м по його робочій осі при підведенні до нього електричної потужності 0,1 Вт. Залежить від частоти сигналу. Як правило, вимірюють на частоті 1000 Гц.

Стандартний звуковий тиск виражається через звуковий тиск, вимірюваний в будь-якій точці поля на робочій осі, наступним чином

,

(2.1)

де l – відстань від робочого центра гучномовця до вимірювального мікрофона; P_е – електрична потужність, що підводиться до гучномовця, при якій проведено вимірювання р_зв; l₀ = 1 м; P₀ = 0,1 Вт.

Рівень звукового тиску , дБ – визначається за формулою

,

(2.2)

де р₀ = 2·10^-5 Па – звуковий тиск порогу чутності.

Середній стандартний звуковий тиск р_ср.ст (віддача) – середній звуковий тиск, що розвивається у діапазоні робочих частот на відстані 1 м по робочій осі при підведенні до гучномовця електричної потужності 0,1 Вт. Визначають як середньоквадратичне значення стандартних звукових тисків, вимірюваних для ряду частот (стандартно з дискретністю 1/3 октави) у робочому діапазоні

.

(2.3)

Для акустичних систем усереднення виконується в смузі частот 100…8000Гц.

Середній стандартний звуковий тиск виражається через середній звуковий тиск, вимірюваний в будь-якій точці поля на робочій осі, формулою, аналогічною (2.1)

.

(2.4)

Рівень середнього звукового тиску , дБ – визначається за формулою, аналогічною (2.2)

.

(2.5)

Характеристична чутливість S , Па·Вт^-1/2– звуковий тиск, що створюється гучномовцем на відстані l по робочій осі при підведеній електричній потужності Р_е, приведений до відстані 1 м від робочого центру і підведеної електричної потужності 1 Вт:

.

(2.6)

Виходячи з формули (2.6), характеристичну чутливість можна визначити також як відношення звукового тиску, що розвивається гучномовцем на відстані 1 м по робочій осі, до кореня квадратного з підведеної електричної потужності.

Рівень характеристичної чутливості , дБ визначиться як

,

(2.7)

де S₀ = 2·10^-5 Па·Вт^-1/2 – характеристична чутливість, що відповідає порогу чутності.

Характеристична чутливість у заданому діапазоні частот S_д – середній звуковий тиск, що створюється гучномовцем у заданому діапазоні частот на робочій осі, приведений до відстані 1 м від робочого центру і підведеної електричної потужності 1 Вт:

.

(2.8)

Рівень характеристичної чутливості в заданому діапазоні , дБ визначиться як

.

(2.9)

Частотна характеристика по звуковому тиску – залежність звукового тиску (або рівня звукового тиску в [дБ]), що розвивається гучномовцем у заданій точці вільного поля від частоти при постійній амплітуді напруги на вході гучномовця. Як правило, беруться значення стандартного звукового тиску.

Нерівномірність частотної характеристики, дБ – різниця рівнів найбільшого і найменшого звукового тиску у визначеному діапазоні частот або відхилення від деякого середнього рівня звукового тиску, вимірюваного у даному діапазоні частот.

Чим рівніша частотна характеристика (менше її нерівномірність), тим краще гучномовець. Для масових типів головок електродинамічних гучномовців допустима нерівномірність частотної характеристики складає 10...18 дБ.

Номінальний діапазон частот (ефективний робочий діапазон частот) – діапазон частот, у межах якого нерівномірність частотної характеристики не перевищує допустимої (паспортної) величини.

Повний електричний опір, Ом – опір змінному струму на клемах гучномовця.

Номінальний електричний опір, Ом – задане технічними умовами значення, яке використовується для розрахунку електричної потужності, що підводиться до гучномовця (як правило, це мінімальне значення модуля повного електричного опору в діапазоні частот вище частоти основного резонансу механічної коливальної системи гучномовця).

Частота основного резонансу механічної коливальної системи гучномовця f₀, Гц – частота, що відповідає першому максимальному значенню модуля повного електричного опору гучномовця при зростанні частоти. Резонансна частота головки гучномовця визначається параметрами її механічної частини

,

(2.10)

де М_г – повна маса рухомої системи; С_г – гнучкість підвісу.

Коефіцієнт гармонічних (нелінійних) спотворень n-го порядку – виражене в процентах відношення звукового тиску n-ї гармоніки до діючого значення сумарного звукового тиску, створюваного гучномовцем на усіх частотах, включаючи частоту поданого сигналу:

.

(2.11)

Зазвичай береться n = 2 або n = 3.

Якщо менше 30%, то він може визначатись формулою

,

(2.12)

де p_f – звуковий тиск на частоті вхідного сигналу.

Для вимірювання p_f та p_nf необхідно мати селективний вольтметр або аналізатор спектра, а для вимірювання p_Σ достатньо звичайного вольтметра.

Повний коефіцієнт гармонічних спотворень - виражене в процентах відношення діючого значення сумарного звукового тиску усіх гармонік, крім основної, до діючого значення сумарного звукового тиску, створюваного гучномовцем на усіх частотах, включаючи частоту поданого сигналу:

.

(2.13)

Повний коефіцієнт гармонічних спотворень можна також визначити по формулі

.

(2.14)

Як правило, достатньо обмежитись значенням N = 3.

Повний характеристичний коефіцієнт гармонічних спотворень , % визначають по формулі

,

(2.15)

де р_ср – середній звуковий тиск у заданому діапазоні частот у тій же точці і при тій же вхідній амплітуді вхідного сигналу, при якій визначено значення p_Σ.

Визначення вказаних вище коефіцієнтів гармонічних спотворень проводиться для визначених частот вхідного сигналу, що не перевищують 5 кГц.

Повний коефіцієнт гармонічних спотворень в заданому діапазоні частот визначають по частотній характеристиці повного коефіцієнта гармонічних спотворень

.

(2.16)

Найбільші нелінійні спотворення мають місце на низьких частотах. Так на частотах близько 100 Гц повний коефіцієнт нелінійних спотворень досягає 10%.

ДобротністьQ є кількісною мірою демпфіруючих властивостей гучномовця (здатності точно передавати короткі звуки).

Добротність головки гучномовця визначається відношенням реактивної складової механічного опору рухомої системи на частоті основного резонансу до активної складової електричного опору.

Найкращі результати щодо передачі перехідних процесів забезпечуються при добротності 0,5...0,6.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) – відношення акустичної потужності, що випромінюється гучномовцем, до підведеної електричної потужності.

Порядок виконання роботи

1. Використовуване обладнання. Для проведення експериментальних досліджень необхідно мати (рис. 2.2) генератор сигналів звукової частоти (ГЗЧ), підсилювач звукової частоти (ПЗЧ) досліджуваний гучномовець Г, осцилограф (ОСЦ), вольтметри, амперметр, вимірювальний підсилювач (ВП), високоякісний вимірювальний мікрофон (МКФ) з відомими характеристиками. Акустична система та мікрофон розміщуються в акустичній камері, що знижує вплив зовнішніх факторів на експеримент та знижує рівень звуку в лабораторії під час експерименту.

Конкретні прилади та обладнання, що можуть бути використані в даній лабораторній роботі, з їх основними параметрами та характеристиками приведено у Додатку 1.

Для спрощення та підвищення точності зняття амплітудно-частотної характеристики можна використати генератор акустичного шуму (білого чи рожевого) та аналізатор спектра, які включаються замість ГЗЧ та осцилографа, відповідно. Аналізатор спектра потрібен також для вимірювання коефіцієнтів нелінійних спотворень. Замість реальних приладів (ГЗЧ і ОСЦ) можуть бути використані віртуальні прилади, реалізовані програмно на персональному комп'ютері або встановлені на комп’ютері програми обробки звуку типу "Cool Edit" та "Sound Forge" з виходом на високоякісну звукову карту.

Слід зазначити, що в лабораторній роботі не переслідується мета забезпечити точність, що відповідає державним стандартам на методи вимірювання параметрів електроакустичних перетворювачів. Тому засоби вимірювання й умови іспитів можуть не відповідати вимогам цих стандартів.

Перед виконанням експериментів необхідно записати паспортні дані вимірювальних приладів, досліджуваного гучномовця, вимірювального мікрофона і значення коефіцієнта підсилення вимірювального підсилювача.

2. Вимірювання модуля повного електричного опору гучномовця та його залежності від частоти. Держстандарт передбачає декілька методів вимірювання модуля повного електричного опору.

При вимірюванні методом пропорційних напруг (рис. 2.2) на заданій частоті вимірюють напругу U_R на резисторі R₁ при підключенні резистора R₂, потім вимірюють напругу U_г на резисторі R₁ при підключенні гучномовця. Модуль повного електричного опору Z на даній частоті визначають по формулі

.

(2.17)

Опір резистора R₁ повинен бути не більше 0,05Z_min (практично 0,1...0,2 Ом).Значення опору резистора R₂ повинне бути визначеним з похибкою не більше 1% і повинне знаходитись в межах від мінімально допустимого значення модуля повного електричного опору до номінального електричного опору гучномовця.

При вимірюванні методом заміщення можливі два варіанти схеми.

У першому варіанті схема така ж як і на рис. 2.2, але замість резистора R₂ включається магазин опорів. Змінюючи опір магазину опорів, добиваються рівності показань вольтметра при обох положеннях перемикача S. Отримане при цьому значення на шкалі магазину опорів і є значенням модуля повного електричного опору гучномовця. Електрична потужність, що підводиться до магазину опорів не повинна перевищувати допустиму для нього потужність.

Недоліком схеми на рис. 2.2 є дуже малий опір резистора R₁, що не завжди зручно.

У другому варіанті схема більш зручна (рис. 2.3). Тут опір резистора R₁ повинен не менш ніж в 20 разів перевищувати максимальне значення модуля повного електричного опору. Як і в першому випадку, при вимірюванні добиваються рівності показань вольтметра при обох положеннях перемикача S, змінюючи опір магазину опорів, який і покаже значення модуля повного електричного опору гучномовця.

В умовах навчальної лабораторії можна скористатись більш простим методом амперметра і вольтметра (рис. 2.4) при як можна меншому внутрішньому опорі амперметра. В цьому випадку опір визначиться по закону Ома

.

(2.18)

В лабораторній роботі потрібно виміряти значення модуля повного електричного опору на різних частотах в діапазоні 50...200 Гц (даний діапазон може змінюватись викладачем в залежності від типу досліджуваного гучномовця) та на частоті 1000 Гц. Для цього потрібно зробити наступне:

1) Помістити гучномовець в акустичну камеру та підключити прилади відповідно до однієї з схем (рис. 2.2 – 2.4), вказаної викладачем.

2) Після перевірки схеми викладачем включити ГЗЧ та ПЗЧ, встановити на ГЗЧ частоту 1000 Гц і регуляторами ГЗЧ та ПЗЧ задати прийнятний (що виключає неприємні відчуття) рівень гучності, записати показання вимірювальних приладів та розрахувати значення модуля повного електричного опору Z₁₀₀₀.

3) Змінюючи на ГЗЧ частоту f в заданому діапазоні з дискретністю 10 Гц і підтримуючи незмінним значення напруги на вольтметрі V1 або струм, що протікає через котушку гучномовця, заміряти значення модуля повного електричного опору Z.

4) Вимкнути ГЗЧ та ПЗЧ, не змінюючи настройки рівня гучності.

5) Побудувати залежність Z = F(f).

3. Визначення частоти основного резонансу. По графіку Z = F(f)визначити частоту, при якій модуль повного електричного опору є максимальним Z = Z_max. Це і буде частота основного резонансу f₀.

4. Визначення повної маси рухомої системи та гнучкості підвісу. Схема установки в цьому експерименті така ж, як і в пункті 2, а порядок виконання наступний:

1) До дифузора в центрі прикріпити вантаж з відомою масою т = 5...10 г (задається викладачем), в якості якого можна використати липкий гумовий герметик.

2) Збільшуючи частоту ГЗЧ, почавши з 40 Гц, та вимірюючи модуль повного електричного опору, визначити нову резонансну частоту f₁, при якій Z = Z_max.

3) Вимкнути ГЗЧ та ПЗЧ і зняти вантаж з дифузора.

4) Визначити повну масу рухомої частини гучномовця по формулі

.

(2.19)

5) Визначити гнучкість підвісу, враховуючи (2.10)

.

(2.20)

5. Визначення добротності головки гучномовця. Існує декілька способів визначення повної добротності головки гучномовця. Розглянемо два з них, в яких зручно скористатись залежністю Z = F(f).

При першому способі вимірюють омметром опір головки по постійному струмові R_г і визначають повну добротність по формулі

,

(2.21)

де f₁ і f₂ задовольняють умові

f₁ < f₀ < f₂ < f_min1

і відповідають значенням модуля повного електричного опору

,

(2.22)

що лежать справа і зліва від Z_max. Тут f_min1 – частота, що відповідає першому мінімуму модуля повного електричного опору Z_min справа від основної резонансної частоти f₀.

Механічну добротність, обумовлену втратами в механічних елементах рухомої системи та втратами на випромінювання, визначають по формулі

.

(2.23)

Електрична добротність обумовлена наявністю струму проти-ЕРС в електричному колі головки і визначається як

.

(2.24)

При другому способі повну добротність визначають по формулі

,

(2.25)

де Δf = f_п - f₀; f_п – частота, що лежить у проміжку між f₀ та f_min1 і відповідає опору

.

(2.26)

Механічна добротність

.

(2.27)

Електрична добротність

.

(2.28)

У лабораторній роботі потрібно визначити повну, механічну та електричну добротність головки гучномовця розглянутими способами та порівняти одержані значення.

6. Визначення стандартного звукового тиску та характеристичної чутливості. Установити в акустичну камеру вимірювальний мікрофон, розмістивши його навпроти гучномовця на відстані 20...30см так, щоб їх робочі осі співпадали, і заміряти відстань l між ними. Підключити їх до роз’ємів та закрити камеру. Зібрати схему установки, підключивши прилади відповідно рис. 2.5. Показати схему для перевірки викладачеві.

Включити прилади та за допомогою ГЗЧ задати сигнал частотою 1000 Гц і амплітудою (встановлюється регуляторами ГЗЧ та ПЗЧ), яка забезпечить прийнятний рівень гучності (щоб виключити неприємні відчуття та не перешкоджати проведенню занять в інших аудиторіях), але при якій амплітуда напруги на виході вимірювального підсилювача буде знаходитися не нижче U_ВП = 100...150 мВ (визначається по осцилографу), що обумовлено мінімальним рівнем вимірюваної осцилографом напруги. Регулятори тембру ПЗЧ при цьому повинні знаходитися в положенні, що відповідає максимальної лінійності АЧХ ПЗЧ (визначається заздалегідь і задається викладачем).

Тут і далі в процесі лабораторної роботи включати звук слід лише на короткий час, достатній для вимірювання, після чого вимкнути ГЗЧ або ПЗЧ, не змінюючи встановлених настройок !!!

Визначити потужність Р_е, що підводиться до гучномовця, виходячи з значень напруги та струму на його вході (Р_е = U_г·І_г). При можливості встановити Р_е = 0,1 Вт.

Визначивши за допомогою осцилографа або вольтметра величину напруги U_ВП на виході вимірювального підсилювача та обчислити величину звукового тиску на вході мікрофона по формулі

,

(2.29)

де Е_мкф – відома паспортна чутливість вимірювального мікрофона, мВ/Па.

Розрахувати стандартний звуковий тиск по формулі (2.1) та рівень стандартного звукового тиску відповідно до формули (2.2).

По формулах (2.6) та (2.7) розрахувати характеристичну чутливість та рівень характеристичної чутливості.

7. Зняття діаграми направленості. При тому ж вхідному сигналі, що і в п.6, повертаючи досліджуваний гучномовець навколо своєї осі з дискретністю 30º, заміряти при різних кутах напругу на виході ВП та визначити по формулі (2.29) звуковий тиск, створюваний гучномовцем на вході мікрофона. Привести значення звукового тиску до відстані 1 м по формулі (2.1). За результатами експерименту побудувати діаграму направленості, що представляє собою графік залежності в полярних координатах.

Розрахувати для кожного значення кута α рівень звукового тиску в [дБ] по формулі (2.2) та побудувати діаграму направленості у виді залежності . Визначити кут випромінювання гучномовця α_в, як кут між робочою віссю та напрямом, у якому рівень звукового тиску падає на 10 дБ.

Результати вимірювань та розрахунків зручно звести в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

α, град.	UВП, мВ	рзв, Па	рзв1, Па	, дБ

8. Зняття та побудова частотної характеристики по звуковому тиску і визначення середнього стандартного звукового тиску (віддачі) та характеристичної чутливості в заданому діапазоні частот. Частотну характеристику звукового тиску знімають підтримуючи незмінною потужність або напругу, що підводиться до гучномовця.

У другому випадку (при U_г = const) потужність розраховується як , де R_н – номінальний опір гучномовця (можна прийняти R_н= Z₁₀₀₀).

При цьому будемо мати похибку, що визначається залежністю повного опору гучномовця від частоти. Тому краще підтримувати Р_е = const.

Порядок виконання наступний:

1) Підтримуючи потужність (або напругу) на вході гучномовця такою ж як у п.6, виміряти напругу на виході ВП для різних значень частоти (задається ГЗЧ) у діапазоні 100...10000 Гц з дискретністю в 1 октаву. Діапазон може змінюватись викладачем у залежності від досліджуваного гучномовця. При різкій зміні значення напруги U_ВП можна зняти проміжні точки.

2) Розрахувати для різних частот відповідні значення звукового тиску по формулі (2.29) і стандартного звукового тиску по (2.1) та побудувати частотну характеристику по звуковому тиску у виді залежності р_ст = F(f).

3) Розрахувати рівні стандартного звукового тиску на різних частотах відповідно до формули (2.2) та побудувати частотну характеристику по звуковому тиску у виді залежності = F(f).

4) Ввести поправку на нерівномірність частотної характеристики вимірювального мікрофона, розрахувавши , де - відносна чутливість вимірювального мікрофона з паспортної частотної характеристики (див. додаток 1), та побудувати скоректовану частотну характеристику по звуковому тиску у виді залежності = F(f).

5) Визначити нерівномірність N частотної характеристики по звуковому тиску в діапазонах 150...5000 Гц і 400...8000 Гц та ефективний робочий діапазон частот при заданій нерівномірності частотної характеристики ± 3 дБ відносно рівня звукового тиску на частоті 1000 Гц.

6) Визначити значення та рівень середнього стандартного звукового тиску в заданому діапазоні по формулах (2.3) та (2.5).

7) Визначити значення та рівень характеристичної чутливості в заданому діапазоні по формулах (2.8) та (2.9).

Результати вимірювань та розрахунків зручно звести в табл. 2.2.

Таблиця 2.2

f, Гц	UВП, мВ	рзв, Па	рст, Па	, дБ	, дБ	, дБ

9. Визначення коефіцієнтів гармонічних спотворень.Коефіцієнти гармонічних спотворень розраховують по формулах (2.11) – (2.16).

Необхідні для розрахунків значення звукового тиску визначають по формулі (2.29) наступним чином:

p_Σ - виходячи з напруги, виміряної вольтметром V2 (рис.2.5);

p_f та p_nf - виходячи зі значення напруги заданої гармоніки, виміряної аналізатором спектра або селективним вольтметром, що включаються в схему замість осцилографа.

Вимірювання проводяться таким же чином та при тих же рівнях вхідних сигналів, що і в п. 6 та 8.

Вимірювання повного коефіцієнта гармонічних спотворень може проводитись також за допомогою вимірювача нелінійних спотворень, що включається на вихід вимірювального підсилювача ВП.

Частота вхідного сигналу, на якій визначаються коефіцієнти нелінійних спотворень задається викладачем.

10. Визначення полярності головки гучномовця. Виводи головки підключити до джерела постійного струму (батарейка) з напругою U_б≤ , спостерігаючи за дифузором. Якщо він зміститься уперед, то полюси головки відповідають полюсам батарейки, якщо назад, то полярність протилежна.