Основы конструирования высококачественных наушников

Некоторые читатели интересуются применением телефонов в технике высококачественного звуковоспроизведения и у них появилось желание самостоятельно изготовить стереотелефоны хорошего качества.

Разработка и изготовление стереотелефонов требуют умения конструирования и определенных знаний. Поэтому человеку, желающему самостоятельно изготовить стереотелефоны, советуем внимательно отнестись к рекомендациям, которые будут изложены ниже.

Головные телефоны являются достаточно сложным электроакустическим прибором, поэтому расчет их относительно сложен. Прогрессивным методом конструирования головных телефонов является расчет с помощью аналоговых вычислительных машин. Варьируя значениями электрических параметров эквивалентной схемы, находят оптимальные массу, гибкость и другие акустические параметры рассчитываемой системы.

При конструировании телефонов в любительских условиях достаточно пользоваться приближенными методами, умело используя практические рекомендации.

Следует отметить, что головные телефоны электростатической системы в любительских условиях изготовить крайне сложно, поэтому мы не будем здесь рассматривать основы их конструирования и ограничимся рассмотрением лишь электродинамических телефонов.

Рассмотрим вначале, как правильно сконструировать и изготовить телефон открытого типа.

Каждому предмету свойственно колебаться на резонансной частоте при наличии возбуждающей силы. Например, металлический диск диаметром 80 мм, толщиной 0,6 мм, подвешенный в пространстве, при нанесении резкого удара будет резонировать на частоте около 2000 Гц (рис. 1, а). Частота резонанса определяется массой и гибкостью (величина, обратная упругости) диска. Электрическим аналогом массы в системе электромеханических аналогов является индуктивность, а гибкости – емкость. Индуктивность и емкость (а следовательно, масса и гибкость) образуют резонансный контур. Если бы диск был бесконечно легким и жестким (диафрагма идеализированного излучателя в свободном пространстве), что в эквивалентном электрическом контуре соответствует бесконечно малым значениям емкости и индуктивности, то частотная характеристика имела бы вид, показанный на рис. 1, 6. Звук при этот был бы пронзительны, с отсутствием низких частот и избытком высоких. В реальной конструкции телефонов открытого типа происходит механическая коррекция частотной характеристики (рис. 1, в). Во-первых, диафрагма имеет конечные толщину (обычно 0,05-0,1 мм) и диаметр, определяющие массу или индуктивность. Масса, подобно индуктивности в электрической цепи, снижает эффективность излучения сигналов на высоких частотах, а в нашем случае она выравнивает частотную характеристику. Во-вторых, материал для диафрагмы выбирается достаточно гибким (например, поливинилхлорид), благодаря чему обеспечивается некоторая емкость (в эквивалентной цепи). При правильно выбранном материале резонанс диафрагмы должен находиться на частоте 150-250 Гц. В-третьих, для демпфирования резонанса вводится дополнительное сопротивление в виде поролоновой прокладки, расположенной на фронтальной поверхности телефона. Эта прокладка, кроме того, способствует равномерному распределению давления на ушную раковину, создавая, таким образом, удобство при эксплуатации.

 

Конструирование высококачественных наушников ldsound_ru (1)

Рис. 1. Частотные характеристики

а – свободно колеблющегося металлического диска;

б – идеализированной диафрагмы излучателя;

в – телефона открытого типа.

 

Выше довольно подробно рассматривался вопрос об электродинамических головных телефонах закрытого типа. Здесь мы рассмотрим некоторые технические вопросы конструирования и пути достижения поставленных целей. При рассмотрении частотной характеристики телефонов закрытого типа мы разбивали диапазон частот на три участка (рис. 2) . Рассмотрим, какие практические требования должны выполняться на каждом из этих участков для достижения наиболее равномерной частотной характеристики.

 

Конструирование высококачественных наушников ldsound_ru (2)

Рис. 2. Теоретические частотные характеристики

телефона и громкоговорителя

а – изменения произведения комплексного сопротивления звуковой катушки в неподвижном состоянии zк и комплексного механического сопротивления системы zм от частоты;

б– частотная характеристика звукового давления, развиваемого телефоном в камере прибора «искусственное ухо»;

в – частотная характеристика акустической мощности, излучаемой громкоговорителем.

 

На первом участке в области низких частот горизонтальная характеристика звукового давления получается, если выполнено условие полной непроницаемости воздуха между ушной раковиной и диафрагмой телефона. При этом необходимо, чтобы диафрагма и корпус были изготовлены из плотного материала, не пропускающего воздух, а амбушюры были подогнаны к голове слушателя. На практике полной герметизации не получается; даже при небольшой утечке происходит снижение звукового давления в низкочастотной области, сопровождающееся некоторым увеличением амплитуды колебаний диафрагмы, что может вызвать дополнительные искажения из-за нелинейности подвеса.

При выполнении требования герметизации не следует забывать об удобстве эксплуатации телефонов. Иногда создают массивные амбушюры, обеспечивающие герметизацию, но вызывающие раздражение, чувство глухоты и тесноты, особенно при длительном прослушивании.

Мы установили, что при появлении утечки ухудшается воспроизведение сигналов на низких частотах. Это равносильно лишению оркестра басовых инструментов. Уменьшение спада характеристики в низкочастотной области в простых телефонах достигают, например, выбирая соответствующий диаметр диафрагмы. С увеличением диаметра диафрагмы увеличивается объем колеблющегося воздуха, и чем он больше, тем меньшее влияние окажет утечка на низкочастотную область характеристики телефонов. Но увеличивать диаметр диафрагмы можно только до определенного предела, определяемого не столько размерами конструкции, сколько в основном требованиями, необходимыми для хорошего воспроизведения сигналов на высоких частотах. Для уменьшения спада характеристики в высокочастотной области необходимо, чтобы диафрагма была жесткой и работала, как поршень, при этом она должна иметь возможно меньшую массу. Этого можно в какой-то степени добиться, имея диафрагму небольшого диаметра. Практически диаметр диафрагмы в простых телефонах выбирают от 70 до 80 мм. Следует отметить, что диафрагма с большим диаметром кроме излишней массы имеет и другой недостаток – вызывает провал характеристики в области средних частот. При большом диаметре диафрагмы трудно осуществить достаточное демпфирование колебательной системы.

Улучшить характеристику в области низких частот при наличии утечки можно, применив сложную систему, которая обеспечивает излучение задней стороны диафрагмы в специальный объем с отверстием – резонатор Гельмгольца. Аналогичные устройства имеют громкоговорители с фазоинверторным устройством. Резонатор настраивают на частоту около 300 Гц. Выше этой частоты диафрагма работает так же, как в случае герметизированного объема. В узком диапазоне частот, сконцентрированном около точки резонанса полости, диафрагма нагружается большим механическим сопротивлением, приводящим к уменьшению амплитуды колебаний диафрагмы. В результате звуковое давление телефона уменьшается на величину, зависящую от степени демпфирования в отверстии задней полости. Ниже частоты примерно 150 Гц механическое сопротивление, создаваемое диафрагме задней полостью, значительно ослабляется. В результате увеличивается амплитуда смещения диафрагмы, что сопровождается увеличением звукового давления. Смещение диафрагмы в этом случае становится чувствительным к изменениям механического сопротивления, оказываемого фронтальной стороне диафрагмы, в частности к снижению сопротивления, которое происходит из-за утечки.

 

Конструирование высококачественных наушников ldsound_ru (3)

Рис. 3. Форма низкочастотной области характеристики

телефона при применении резонансной полости

1 – для обычного телефона;

2 – для телефона с резонансной полостью.

 

На рис. 3 показаны улучшенная (2) частотная характеристика звукового давления, полученная при использовании настроенной резонирующей полости, когда имеет место утечка воздуха между амбушюром и измерительной камерой искусственного уха, и частотная характеристика, полученная без использования резонирующей полости (1).

Большое значение для хорошего воспроизведения низких частот имеет конструкция ушных подушек – амбушюров. Они должны быть мягкими, эластичными и прилегать к ушной раковине, обеспечивая не только достаточную герметизацию, но и удобство во время пользования. Хорошие результаты можно получить, используя поролон, обшитый кожзаменителем. В некоторых дорогих телефонах используется амбушюр в виде пластичной непроницаемой подушки, наполненной вязкой жидкостью и имеющей форму, удобную для прилегания к голове.

Иногда на характеристике звукового давления телефона может возникнуть резкий провал в низкочастотной области. Это результат колебаний амбушюров. Провал находится на частоте, где возникает резонанс между гибкостью амбушюров и массой системы телефона. Для исключения провала из рабочей области характеристики желательно, чтобы этот резонанс возникал на частоте ниже 20 Гц.

Итак, мы рассмотрели некоторые конструктивные вопросы, определяющие работу телефонов в низкочастотной области. На средних частотах важным моментом является демпфирование резонанса колебательной системы. На частоте резонанса происходит увеличение амплитуды колебаний диафрагмы и, как следствие этого, увеличение звукового давления. Если не принять меры к демпфированию резонанса, то величина пика на характеристике может составить больше 10 дБ. В электродинамических головных телефонах, надетых на голову слушателя, резонанс возникает обычно на частотах 400-2000 Гц. Это область наибольшей чувствительности слуха и любой подъем (так же как и провал) в характеристике ухудшает качество звучания. Кроме того, недостаточно демпфированный телефон (как и громкоговоритель) имеет плохую переходную характеристику. Телефон с плохой переходной характеристикой плохо передает звуки с резко изменяющейся амплитудой (звуки импульсного характера), а динамическая структура сигналов речи и музыки представляет собой непрерывный ряд следующих один за другим изменяющихся звуковых импульсов различной продолжительности, интенсивности и частоты. Хороший телефон должен иметь такую переходную характеристику, которая обеспечивает достаточно точное преобразование электрического импульса в звуковой при сохранении его формы и продолжительности. Плохие переходные характеристики недостаточно демпфированных телефонов объясняются тем, что подвижная система помимо смещения от электрического импульса возбуждается также и на собственной резонансной частоте. Собственные колебания системы проявляются как в начале электрического импульса, так и в его конце, и, являясь свободными затухающими колебаниями могут продолжаться и после прекращения действия импульса. Это отражается на качестве звучания – появляются призвуки, искажающие исходный сигнал.

Для ослабления давления на частоте резонанса и достижения хорошей переходной характеристики телефона следует в первую очередь стремиться к уменьшению добротности головки. Добротность определяется выражением:

 

Q = (ω0m) / Rп

 

где     ω0частота резонанса, с-1;

m– масса подвижной системы, г;

Rп – сопротивление потерь, кг/с

 

Механическое сопротивление потерь определяется выражением:

 

Rп = 2l2) / zэRэ

 

где     В – индукция в зазоре магнитной системы головки;

l– длина провода звуковой катушки;

zэ – полное электрическое сопротивление головки на частоте резонанса;

Rэ – активное электрическое сопротивление звуковой катушки.

 

Таким образом, головка должна иметь соответствующее соотношение между индукцией в зазоре магнитной цепи, длиной провода звуковой катушки и массой подвижной системы, с тем чтобы получить оптимальное значение добротности, равное 1. Чем больше добротность, тем выше пик на характеристике звукового давления и хуже переходная характеристика телефона. Демпфирование головных телефонов должно полностью обеспечиваться самой конструкцией подвижной системы и акустическим демпфированием, поскольку электромагнитное демпфирование, которое составляет важную часть в демпфировании громкоговорителей, здесь не может иметь большого значения. Громкоговоритель с сопротивлением, например, 8 Ом подключается к транзисторному усилителю, имеющему выходное сопротивление 0,2-0,5 Ом. При колебаниях звуковой катушки в ней наводится э.д.с., создающая ток, противодействующий перемещениям катушки, т.е. тормозящий ее колебания. Чем меньше выходное сопротивление усилителя, шунтирующее звуковую катушку, тем больше значение наведенного тока и тем большую силу торможения он создает. Головной телефон с сопротивлением 8 Ом подключается к выходу усилителя обычно через гасящий резистор, сопротивление которого в 15-20 раз превышает сопротивление телефона. Поэтому для телефона выходное сопротивление усилителя определяется сопротивлением гасящего резистора. При этом цепь демпфирующего тока имеет большое сопротивление, а сам ток мал.

Одним из эффективных способов демпфирования, получивших применение в некоторых моделях телефонов, является частичное погружение катушки в специальную смазку, помещенную в зазор магнитной системы. В качестве такой смазки используется вязкая кремнийорганическая жидкость, удовлетворяющая требованиям демпфирования. Жидкость сохраняет свойства в широкого температурном диапазоне и имеет относительно хорошую теплопроводность. Это позволяет применять легкую звуковую катушку из тонкой проволоки, которая успешно работает в высокочастотной области и обладает высокой надежностью.

В области высоких частот перед конструктором стоят две кали: по возможности расширить диапазон воспроизводимых частот и уменьшить неравномерность характеристики звукового давления.

Первая цель может быть достигнута уменьшением массы подвижной системы и увеличением жесткости диафрагмы. Масса подвижной системы складывается в основном из масс диафрагмы и звуковой катушки. Массу диафрагмы уменьшают, применяя специальный состав материала и снижая ее толщину и диаметр. При уменьшении диаметра диафрагмы не следует допускать спада характеристики на низких частотах. Упругость диафрагмы определяется ее профилем и радиусов кривизны образующей. При недостаточной упругости, начиная с некоторой частоты, диафрагма перестает колебаться как единое целое; образуются отдельные зоны, колеблющиеся в разных фазах, в результате спадает характеристика на высоких частотах и увеличивается ее неравномерность. В некоторых моделях телефонов применяют диафрагму из пластических материалов, обеспечивающих необходимую упругость и малую массу. Например, диафрагма из полиамида диаметром 60 мм имеет массу около 120 мг, а такая же диафрагма из обычного материала, применяемого в большинстве аппаратов, имеет массу около 300 мг. Уменьшения массы звуковой катушки можно добиться, выполняя обмотку алюминиевым проводом.

Для получения хорошей характеристики большое значение имеет конструкция телефона в целом. Так, располагая головку ближе к ушной полости, можно добиться сокращения объема воздуха в верхней части диафрагмы и уменьшения спада характеристики на высоких частотах.

Неравномерность частотной характеристики звукового давления телефонов на высоких частотах значительно больше, чем на низких и средних. Объясняется это в основном тем, что на частотах выше 8000-10000 Гц, где длина волны становится соизмеримой с размерами полости, образованной ушной раковиной и телефоном, возникают отраженные волны, которые, накладываясь на прямые в различных фазах, создают пики и провалы характеристики. Для уменьшения этого явления применяют звукопоглощающий материал (например, поролон), который гасит отраженные колебания. Этим материалом покрывают возможно большую площадь защитной решетки телефона с внешней стороны.

В дорогих моделях для улучшения характеристики на высоких частотах используют две или более воздушные камеры, нагружающие фронтальную сторону диафрагмы. Камеры заполняют звукопоглощающим материалом и соединяют между собой кольцевыми щелями. Эффективный объем для диафрагмы телефона, нагруженного на такую камеру, уменьшается с увеличением частоты. Тогда спад характеристики звукового давления из-за уменьшения амплитуды колебаний диафрагмы противодействует увеличению звукового давления, обусловленному уменьшением эффективного объема камеры. Этот оригинальный способ обеспечивает относительно ровную частотную характеристику в области высоких частот.

Подведем некоторые итоги. Для хорошего воспроизведения сигналов на низких частотах применяют диафрагму оптимальных размеров и обеспечивают герметичность между ушной раковиной и телефоном. Для увеличения звукового давления на низких частотах при наличии утечки можно применить резонансную камеру, нагружающую заднюю сторону диафрагмы. На средних частотах особое внимание следует уделить демпфированию подвижной системы головки, ее добротность не должна превышать 1.

Для расширения частотной характеристики в области высоких частот и уменьшения ее неравномерности следует применять упругую диафрагму с малой массой и обязательно использовать звукопоглощающие материалы. Поскольку требования к головке на низких и высоких частотах противоречивы, для получения наилучших результатов целесообразно применять 2-х полосную систему.

 

Автор: Виктор Евгеньевич Скляров

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *