РАДИО ВСЕМ, №6, 1930 год. Электродинамический репродуктор

"Радио Всем", №6, февраль, 1930 год, стр. 139-143, 146-148

Д. Дьяков и М. Семенов

Электродинамический репродуктор

Если раньше, в период увлечения первыми детекторными приемниками, даже около самой плохой громкоговорящей установки нетрудно было собрать большую аудиторию слушателей, то теперь, когда радио перестало быть забавной диковинкой, повысились и требования радиослушателя. Теперь уже никого не заставишь слушать хрипящий и шипящий громкоговоритель, и даже сносно работающая (с точки зрения радиолюбителя) громкоговорящая установка часто вызывает недовольство радиослушателя. Вопросы мощного художественного приема неоднократно обсуждались на страницах наших журналов, однако большинство статей, посвященных этой теме, касались лишь усилительной части установки. Мы имеем описания неискажающих усилителей Н. Ч. (пуш-пул, усилитель на сопротивлениях и т. д.), но в большинстве случаев эти хорошие сами по себе усилители приключаются к обычным диффузорным или, еще того хуже, рупорным громкоговорителям, в силу чего весь эффект усилительной схемы сходит на-нет.

Заграничная практика сравнительно недавно выработала новый тип так называемого «электродинамического» громкоговорителя. Этот громкоговоритель, особенно пригодный для больших аудиторий, отличается по сравнению с старыми типами исключительной чистотой и естественностью передачи. Правда, электродинамический громкоговоритель несколько сложен в постройке и сравнительно дорог в обслуживании, однако эти отрицательные качества должны с избытком окупиться его положительными свойствами.

Требования, предъявляемые к громкоговорителям

К каждому хорошему громкоговорителю в настоящее время предъявляются два основных требования: во-первых, он должен обладать возможно высокой чувствительностью (т. е. давать значительную силу звука при незначительных мощностях подводимой энергии) и, во-вторых, должен абсолютно точно воспроизводить все изменения токов звуковой частоты и в совершенно одинаковой степени отзываться на токи различных частот, т. е. давать неискаженную передачу.

Рис. 1.

Первое требование в настоящее время можно считать не столь существенным, хотя, конечно, весьма желательным. При современном развитии усилительной техники, мы в конце концов можем без особых искажений дать на громкоговоритель любую мощность.

Значительно важнее второе требование, которое до сих пор однако принципиально не вполне разрешено. Насколько оно существенно, видно хотя бы из тех, совершенно конкретных задач, которые мы ставим громкоговорящему механизму. Рис. 1 дает наглядное представление о том большом диапазоне звуковых частот (от 25 до 4 300 колебаний в секунду), который должен воспроизводить громкоговоритель. Если еще принять во внимание, что некоторые не поместившиеся на диаграмме инструменты, как напр. стеклянный колокольчик, дают до 7 000 кол. в сек., что кроме основного тона всякий инструмент создает ряд обертонов с частотой большей, чем основная, в 2, 3, 4 и т. д. раза и что хотя бы частичное отсутствие этих обертонов или сильное их искажение могут совершенно изменить характер и тембр звука, то станет совершенно понятно, что современный громкоговоритель должен быть прибором, воспроизводящим колебания в обширном диапазоне (примерно от 20 до 10 000 колебаний в сек.).

Различные конструкции громкоговорителей

Какими же средствами разрешала и разрешает техника эту проблему?

Рис. 2.

Простейшее конструктивное выполнение громкоговорителя — это обычный телефон усиленной конструкции. Но еще в простом телефоне зачастую явно выражена отзывчивость мембраны на определенные тона. Чем сильнее мы будем заставлять колебаться мембрану, тем резче будет происходить это выделение определенных звуков. На рис. 2 мы приводим кривую, полученную опытным путем, показывающую зависимость силы звука громкоговорителя от приложенной частоты при одинаковой подводимой мощности. Идеалом являлась бы, несомненно, некоторая прямая АВ. Вместо этого мы видим на кривой ряд, образно выражаясь, взлетов и падений, ряд «выкриков», как раз в том диапазоне (300—2 500 кол/сек.), который в звуковом отношении наиболее загружен. Объясняется это явление тем, что мембране, как всякому упругому телу, присуща определенная частота собственных колебаний, в зависимости от которой мембрана и выделяет более охотно те или другие звуковые частоты. Кроме того значительная масса колеблющейся мембраны, неизбежная при данной конструкции и увеличивающаяся, вообще говоря, с увеличением мощности громкоговорителя, весьма отрицательно влияет на качество воспроизведения 1.

Чем меньшей массой будет обладать мембрана, тем меньше будет ее инерция, тем слабее будет выражено стремление продолжать начатые колебания определенной частоты, в то время как частота импульсов звукового тока уже изменилась; не будет тогда и того захлебывания и металлического звона, которые наблюдаются в существующих конструкциях. С уменьшением массы мембраны увеличивается ее затухание; однако практически такому уменьшению массы ставится предел требованиями прочности.

Рис. 3.

Мембрана в репродукторе выполняет две различные функции. С одной стороны, она колеблясь воздействует на окружающий воздух (собственно на столб воздуха, находящийся в рупоре), с другой стороны — она является частью электромагнитного механизма, трансформирующего электрическую энергию в звуковую. Наиболее обычная связь мембраны с воздухом помещения, осуществляемая при помощи рупора, таит сама по себе массу неприятностей. Для расчета формы и размеров рупоров существуют довольно сложные законы и формулы прикладной акустики, которые однако все же не дают возможности в полной мере избавиться от «трубного гласа» громкоговорителя, от дополнительного выделения, теперь уже в рупоре, звуков определенной частоты. В результате, окончательная зависимость звуковой энергии от частоты колебаний при одинаковой для всех частот подводимой мощности, имеет для обычного рупорного громкоговорителя с мощным телефоном, вид, показанный на рис. 3 2.

В получивших у нас и за границей большое распространение безрупорных, так называемых, диффузорных громкоговорителях (типа «Рекорд») мы имеем разделение выполнявшихся ранее мембраной функций. Здесь вибрирующая часть — «диффузор» — делается обычно не из металла, наиболее неприятного материала в отношении выделения собственных колебаний, и кроме того ей придается форма, в значительной мере исключающая возможность их возникновения. Диффузор, жестко связанный с так или иначе устроенным якорем, колеблющимся в переменном магнитном поле, воспринимает колебания этого якоря и таким образом воспроизводит звуковые колебания.

Однако следует сказать, что приведенные выше замечания о мембране в основном приложимы и для этой системы. Совершенно очевидно, что чем с меньшей колеблющейся массой мы будем иметь дело, тем большее затухание будет иметь наша система и тем более будет она свободной от искажений. В мощных же диффузорных громкоговорителях масса колеблющегося якорька зачастую достигает довольно значительных величин. С этой точки зрения и по некоторым другим причинам, диффузорные громкоговорители, хотя и не дают тех искажений, которые свойственны рупорным громкоговорителям, но все же весьма далеки от идеала.

Рис. 4.

Иное разрешение вопроса о превращении электрических колебаний в звуковые дают электродинамические громкоговорители.

Электродинамические репродукторы

Если в электромагнитных громкоговорителях переменный ток, проходя по неподвижной катушке, намагничивал постоянный магнит, под влиянием изменения поля которого колебалась мембрана или якорь, то в электродинамическом громкоговорителе электрический ток проходит по катушке, непосредственно связанной с тем или иным диффузором. Возникающее в катушке переменное магнитное поле, взаимодействуя с полем некоторого постоянного магнита, заставляет катушку колебаться.

Схематическое изображение такого устройства приведено на рис. 4. Для увеличения чувствительности громкоговорителя постоянный магнит должен обладать возможно более сильным магнитным полем (см. ниже), поэтому в громкоговорителе обычно употребляется электромагнит, питаемый от постороннего источника тока. Колеблющаяся катушка, которую мы назовем действующей или мембранной катушкой, из-за ограниченности ее размеров, вызванной стремлением уменьшить ее массу, не может иметь высокого сопротивления, и поэтому такой громкоговоритель, для достижения максимального эффекта, нуждается в понижающем трансформаторе.

Разбирая предыдущие конструкции громкоговорителей, мы пока ничего не сказали о неизбежности в них «магнитных» искажений. Однако этот вид искажений, исключенный в электродинамическом громкоговорителе, играет также не маловажную роль. В обычном электромагнитном громкоговорителе колеблющаяся мембрана или якорек замыкают (в магнитном отношении) разноименные полюса вспомогательного магнита и, так как стремление уменьшить массу мембраны, или якорька заставляет делать весьма незначительным поперечное сечение последних, то, при сравнительно значительных токах звуковой частоты, имеет место магнитное насыщение в якорьке, что ведет к новым искажениям 3. Как видно, и это условие ставит границы для увеличения общей мощности громкоговорителя.

В электродинамическом громкоговорителе ничто не ставит таких пределов размерам магнитной системы, и мы почти совершенно свободны в ее выборе. Далее, соединив мембранную катушку с диффузором, мы имеем возможность избавиться как от искажений, свойственных рупору, так и от искажений, вносимых якорем или мембраной.

Рис. 5.
(увеличенное изображение)

Подведя таким образом итоги, мы видим, что электродинамический громкоговоритель избавлен от искажений, вызываемых : 1) большой массой мембраны (при равных мощностях громкоговорителей масса мембранной катушки значительно меньше, чем масса мембраны или якоря), 2) магнитным насыщением в колеблющейся системе и в 3) избавлен от искажений, вносимых рупором. Иначе говоря, электродинамический громкоговоритель, как мы видим, избавлен от всех основных причин, вызывающих искажения передачи громкоговорителя.

Искажения, вносимые такой конструкцией в передачу, весьма ничтожны; кривая, подобная кривым рис. 1 и 3, полученная для электродинамической системы (рис. 3—Б.), уже в значительной степени приближается к идеалу. Вместе с тем, средний тип электродинамического громкоговорителя с одной стороны можно без вреда нагрузить значительной мощностью, получая очень значительные величины звуковой энергии, а с другой стороны, такой мощный громкоговоритель прекрасно работает и при незначительных нагрузках, напр. будучи приключенным к приемнику с 2-ламповым усилителем н. ч.

Конструкция электродинамического громкоговорителя

Предлагаемая ниже конструкция, разработанная немецким инженером И. Кесслером, была описана в журнале «Funk». По словам автора, построенный им громкоговоритель обладал всеми теми положительными качествами, присущими электродинамическому громкоговорителю, о которых мы говорили в первой части нашей статьи. Нужно сказать, что изготовить хороший электродинамический громкоговоритель в достаточной степени трудно, изготовление отдельных деталей громкоговорителя требует известной квалификации в работе и кроме того все части должны быть выполнены в высшей степени аккуратно. Поэтому рекомендовать этот громкоговоритель для постройки можно лишь опытному любителю или кружку радиолюбителей, решивших произвести некоторые затраты и кропотливой работой добиться положительных результатов.

Рис. 6.
(увеличенное изображение)

Такие части громкоговорителя, как корпус, держатель диффузора, крышка и кольцо (рис. 5) следует отлить из чугуна 4, а затем обработать на токарном станке. Это будет наиболее дешевый, скорый и простой путь 5.

Мастерская, которой будет передана отливка, прежде всего потребует модели отливаемых деталей; вся работа по изготовлению моделей должна быть передана специалисту токарю. На рисунках 6 и 7 пунктирными линиями обозначены формы модели, для которых и даны основные размеры. Отлитые из чугуна детали обрабатываются на токарном станке до придания им форм, очерченных на тех же рисунках сплошными линиями, эта часть работы должна быть выполнена токарем особенно тщательно. Все отверстия в крышке, дне корпуса и держателе мембраны должны быть строго центрованы; этого требуют условия дальнейшей постройки громкоговорителя. Некоторые указания по обработке и все необходимые для нее размеры указаны на рисунках.

Далее приступаем к изготовлению сердечника для электромагнита. Сердечник вытачивается из круглого железа по размерам, приведенным на рис. 5. В изготовлении сердечника необходима особая точность, так как впоследствии, укрепленный в корпусе, он должен будет разместиться в отверстии крышки абсолютно концентрично.

Рис. 7.
(увеличенное изображение)

Остов катушки для обмотки возбуждения постоянного магнита составляется из трех частей (рис. 5).

Боковые щеки изготовляются из фибры или твердого картона, толщиной около 4 мм. Основание же катушки изготовляется в виде трубки, накатыванием на болванку соответствующих размеров (склеиванием нескольких слоев) ватманской бумаги. Щеки и основание скрепляются синдетиконом или шеллаком, отверстия, сделанные в одной из щек, будут служить для вывода концов обмотки.

Из теории электромагнетизма известно, что сила магнитного поля электромагнита прямо пропорциональна силе проходящего через его обмотку тока и числу витков обмотки. Произведение из этих двух величин известно в электротехнике под названием ампервитков. Иначе говоря, сила магнитного поля прямо пропорциональна числу ампервитков электромагнита.

Опыт показал, что возбуждающая обмотка описываемого электродинамического громкоговорителя для наилучшего действия должна иметь примерно 2 000 ампервитков. Так как число витков электромагнита ограничено его размерами и вполне определенным сечением проволоки, употребляемой для намотки катушки, то для сохранения необходимого числа ампервитков приходится пропускать через обмотку электромагнита ток относительно большой силы. В Америке для питания электродинамических громкоговорителей широко пользуются купроксными выпрямителями, как нельзя лучше подходящими для этой цели. В наших условиях необходимо ориентироваться на те источники электрического тока, которые могут оказаться под рукой.

Рис. 8.

Поэтому ниже мы приводим составленную нами табличку, позволяющую определить необходимый диаметр проволоки для обмотки катушки возбуждения, в зависимости от напряжения источника тока и допустимой для него силы разрядного тока.

Напряжение
источника
тока
в вольтах
Число
витков
обмотки
Сила тока
в обмотке
в амперах
Омическое
сопротивлен.
обмотки
в омах
Диаметр
обмоточного
провода,
без изоля-
ции в мм
Общая
длина
провода
в м
Вес
провода,
с
изоляцией
в кгр.
4 400 5,00 0,8 1,60 95 1,85
10 1 000 2,00 5,0 1,00 230 1,85
20 2 000 1,00 20,0 0,70 450 1,85
40 4 000 0,50 80,0 0,50 910 1,85
80 8 000 0,25 320,0 0,35 1800 1,85
100 10 000 0,17 600,0 0,30 2450 1,85

Как видно, таблица составлена для ряда наиболее характерных напряжений питающего источника тока. Все ее данные вычислены с достаточной для практического применения точностью; для числа mt и количества кгр принят некоторый запас.

Обмотку на катушке возбуждения следует выполнять возможно более тщательно и из цельного отрезка проволоки (пайки нежелательны).

Рис. 9.

Концы обмотки длиною в 20—30 см выводятся через отверстия в щеке.

Диффузор

Особое внимание следует уделить изготовлению диффузора и действующей или, так называемой, мембранной катушки. Катушка вытачивается из эбонита или карболита, по размерам, указанным на рис. 8.—А и Б. Так как толщина стенок в углублении составляет всего лишь ½ мм, то во избежание порчи катушки при намотке, нужно производить эту операцию возможно осторожнее. В углубление остова катушки укладывают 300 витков медной эмалированной проволоки, диаметром (с изол.) 0,15 мм. Нужно следить при этом, чтобы отдельные проводники не возвышались над краями углубления, для чего придется производить намотку с особым вниманием и аккуратностью. Выводящие длиной в 20—25 см концы из мягкой и несколько более толстой проволоки продеваются через отверстия в остове. Удерживающую шайбу (толщиною около 2 мм) изготовляют из того же материала, согласно размерам, данным на рис. 8—В. Укрепляется эта шайба внутри остова катушки при помощи двух, пропитанных синдетиконом, шерстяных ниток, как указано на рис. 8—Б.

Прежде чем изготовлять мембрану (диффузор), следует позаботиться об устройстве для ее укрепления.

Из очень прочного картона, толщиной 3 мм выпиливается лобзиком или вырубается кольцо (рис. 9—а) тех же размеров, что и металлическое кольцо, изготовленное нами ранее (см. рис. 7). Затем кладем это картонное кольцо на ровную поверхность, покрываем с одной стороны синдетиконом и натягиваем на него тонкую недубленую кожу (рис. 9—б), примерно, так, как она бывает натянута на барабанах, придавливаем ее в натянутом виде изготовленным ранее металлическим кольцом и кладем под пресс сохнуть в течение нескольких часов.

Рис. 10.
(увеличенное изображение)

Теперь из плотной ватманской бумаги, толщиной 0,3—0,4 мм, вырезаем кольцо с наружным диаметром 160 мм и внутренним диаметром 150 мм, также покрываем это кольцо с одной стороны клеем и осторожно наклеиваем его на кожу, концентрически по отношению в картонному ободу и со стороны последнего (рис. 9—С). После того, как клей хорошо просохнет и бумажное кольцо плотно пристанет к коже, берем острый нож или лучше ланцет и вырезаем кожу, заключенную внутрь кольца. Таким образом, бумажное кольцо служит для придания жесткости краям образовавшегося кожаного кольца и кроме того является удобной подкладкой для прикрепления диффузора. Коническая мембрана (диффузор) изготовляется из той же ватманской бумаги, толщиной 0,3—0,4 мм. Приблизительные размеры ее приведены на рис. 10. Прикинув предварительно правильность размеров диффузора по отношению к бумажному кольцу, наклеенному на кожу и по отношению к размерам действующей катушки, склеивают края конуса, отгибают боковые зубцы (см. рисунок), покрывают их синдетиконом и приклеивают к бумажному кольцу так, как это показано на рис. 9. Дав всей системе хорошо просохнуть, прикрепляем действующую катушку, следя за тем, чтобы она сидела прямо и чтобы при окончательной сборке громкоговорителя обмотка катушки пришлась как раз против крышки (см. рис. 5), т. е. расположилась в наиболее сильном постоянном магнитном поле.

Рис. 11.
(увеличенное изображение)

Нам остается теперь только приготовить подставку для будущего громкоговорителя. Наиболее просто и удобно построить эту подставку из дерева, согласно размерам и форме, указанным на рис. 11. Приготовив подставку, можно приступить к сборке громкоговорителя.

Сборка громкоговорителя

Прежде всего средняя часть сердечника покрывается шеллаком и, не давая шеллаку засохнуть, вставляем сердечник в специальное отверстие, проделанное в дне корпуса; на наружную выступающую часть сердечника, имеющую нарезку, навертывается крепящая гайка, которая должна быть подтянута до отказа (рис 5). Далее, вставляем эбонитовые втулки в 8-миллиметровые отверстия в дне корпуса и, продев через них концы катушки возбуждения, одеваем последнюю на сердечник. Шеллак, которым мы покрыли сердечник, высохнув, будет прочно удерживать катушку. После закрепления катушки на сердечнике, выведенные наружу концы обмотки поджимаются под специальные зажимы. Установив теперь корпус с сердечником на подставку, уже в этом положении производим дальнейшую сборку. Следующим шагом в нашей работе будет привинчивание крышки к корпусу. При этом необходимо еще раз проверить точность установки сердечника в отверстии крышки. В центре выступающего конца сердечника ввинчивается небольшой латунный болтик; этот болтик с навернутой на него гайкой будет впоследствии служить для укрепления распорной шайбы мембранной катушки (см. рис. 5, 8—Б и В). Затем на крышке укрепляется держатель мембраны с монтированными на нем изолированными зажимами, к которым подводятся гибкие проводнички от действующей катушки, после чего можно приступить к пробному укреплению мембраны. Так как отверстия в картонном кольце диффузора делаются несколько большего диаметра чем крепящие болтики, то у нас имеется возможность, передвигая это кольцо в ту или иную сторону, правильно установить мембранную катушку, т. е. расположить ее так, чтобы, помещаясь в зазоре между крышкой и сердечником, она не касалась ни того ни другого. Если мембранная катушка подклеена к конусу прямо, никаких затруднений и в этой части сборки также не встретится. Убедившись в том, что мембранная катушка располагается правильно, вынимают ее (конечно вместе с кожаным и картонным кольцами) из щели и очень осторожно подкрепляют выводные концы ее обмотки к зажимам, укрепленным на держателе диффузора. Далее, теперь уже одев и металлическое кольцо, проделывают всю процедуру правильной установки мембраны вновь, и наконец укрепляют ее окончательно.

Рис. 12. Вид собранного громкоговорителя сбоку

1. Доска, предохраняющая от акустической «обратной связи».

2. Держатель диффузора.

3. Корпус громкоговорителя.

4. Болт и гайка, удерживающие сердечник катушки возбуждения.

5. Выводы отмотки возбуждения.

6. Предохранительная лампочка.

Последним этапом постройки громкоговорителя будет изготовление доски, укрепляемой перед диффузором. Эта доска, видная на приводимых нами фотографиях, имеет очень важное значение, она предохраняет громкоговоритель от образования так называемой «акустической обратной связи», выражающейся воем последнего. Конечно значительно изящнее заменить эту доску ящиком нужных размеров, в который и установить громкоговоритель. Мы здесь, однако, сознательно не останавливаемся на внешней отделке.

Для приведения громкоговорителя в действие, концы мембранной катушки соединяются с усилителем, а концы катушки возбуждения к зажимам источника питания. Следует только указать, что в моменты отключения обмотки возбуждения, параллельно обмотке возбуждения необходимо приключать обыкновенную лампочку накаливания, на 10—15 свечей, показанную на рис. 12. Приключенная параллельно обмотке возбуждения, эта лампочка защищает мембранную катушку от возникающих при выключении питания электромагнита экстратоков размыканий.

Рис. 13. Вид собранного громкоговорителя спереди

1. Диффузор.

2. Удерживающее его металлическое кольцо.

3. Болтик с гайкой, регулирующие натяжение диффузора.

4. Кольцо из кожи, к которому крепится диффузор.

Электродинамический громкоговоритель может быть приключен ко всякому усилителю низкой частоты, имеющему понижающий выходной трансформатор. Сопротивление выходной обмотки этого трансформатора должно равняться сопротивлению мембранной катушки, что обеспечивает наивыгоднейший коэффициент полезного действия всего устройства. Лучшим усилителем для наших целей конечно следует считать двух или более ступенный усилитель пуш-пул, работающий с мощными лампами. Очень полезно параллельно первичной обмотке выходного трансформатора приключить переменное сопротивление на 4 000 ом; это сопротивление в сильной степени поможет избежать искажений при случайных перегрузках последних ступеней усилителя. Гайка на медном болтике сердечника служит для регулировки громкоговорителя и подтягивается в зависимости от качества работы последнего.

В заключение укажем, что от тщательно и точно выполненного и правильно собранного громкоговорителя будет не трудно так или иначе добиться хороших результатов, поэтому все внимание исполнителя должно быть обращено в одинаковой степени как на все мелочи конструкции, так и на абсолютно точное выполнение всех деталей.


1 Декремент затухания мебраны, т. е. отношение двух последующих амплитуд колебаний выражается формулой Seibt'a.
δ = a  N  ,
m

где m — масса мембраны, N — частота и а — множитель, зависящий от формы и размеров помещения, от плотности воздуха и прочих аналогичных причин. Чем больше декремент, тем скорее происходит затухание колебаний мембраны. Можно считать величины а и N не зависящими от нас, вытекающими из самих условий работы громкоговорителя. (стр. 141.)

2 Следует иметь в виду, что кривые рис. 3—А, В вычерчены в несколько другом машстабе, чем кривая на рис. 2. (стр. 142.)

3 Магнитные явления в этом случае настолько сложны, что мы не имеем возможности, за ограниченностью места, коснуться их более подробно. (стр. 143.)

4 Небольшие литейные мастерские, охотно берущие такую работу, можно найти в каждом городе. (стр. 146.)

5 Те же части можно, конечно, и выточить целиком на токарном станке, что в общем значительно сложнее и дороже. (стр. 146.)