1. В простейшем случае "мотор" электродинамического громкоговорителя состоит из магнитной системы (магнит+магнитопровод) и звуковой катушки (каркас+намотанный на него провод). При протекании тока через звуковую катушку на нее действует сила Ампера (F=B*L*I), приводящая ее в движение. Здесь B — индукция магнитного поля в зазоре, L— часть длины провода катушки, находящаяся в зазоре магнитопровода, I— ток через катушку. Вроде все просто и прозрачно. Если бы не одно но, появляющееся при более пристальном взгляде на физические свойства магнитопровода.
С точки зрения схемотехника звуковая катушка (ЗК) фактически представляет собой обычную индуктивность с ферромагнитным сердечником/магнитопроводом, имеющим некоторое постоянное подмагничивание. Поэтому, как и положено индуктивности, с ростом частоты импеданс ЗК возрастает, из-за возрастания вклада ее реактивного сопротивления в общий импеданс ЗК. На низких частотах импеданс динамика также возрастает из-за влияния основного механического резонанса его подвижной системы через противо-ЭДС, наводящуюся в ЗК. Но в рамках данной статьи поведение импеданса динамика на низких частотах нас не интересует. Гораздо интереснее заняться рассмотрением влияния нелинейных магнитных свойств ферромагнитного сердечника на индуктивность ЗК на средних и высоких частотах, там, где вклад индуктивности в общий импеданс становится значительным. Еще более упростим себе задачу тем, что не будем рассматривать нелинейность, возникающую из-за механического изменения положения ЗК относительно магнитной системы динамика при его работе.
Рис.2. Электрическая модель динамика
2. Согласно формуле, сила Ампера F линейно зависит от тока I, протекающего через ЗК. А так как ток через катушку при использовании источника напряжения с низким выходным сопротивлением (например, УМЗЧ) по закону Ома в основном зависит от импеданса этой катушки, то и возможная нелинейность "мотора" будет также определяться амплитудной нелинейностью импеданса звуковой катушки. Откуда же она может взяться, эта нелинейность?
Прояснить задачу нам поможет моделирование с помощью симулятора, который позволяет вводить в схемы модели реальных магнитных цепей. Рассмотрим поведение катушки с подобным сердечником в переменном магнитном поле. Пока абстрактно. Как известно, индукция магнитного поля (МП) в сердечнике имеет участки насыщения и характеризуется гистерезисом, при котором кривые намагничивания и размагничивания не совпадают. На участках насыщения сердечника индуктивность катушки падает, так как эффективная магнитная проницаемость сердечника уменьшается. Это приводит к броскам переменного тока в цепи катушки в моменты насыщения сердечника.
Рис.3. Процессы в индуктивности с ферромагнитным сердечником.
Казалось бы, что уменьшив амплитуду тока в цепи катушки так, что сердечник перестанет насыщаться, мы устраним модуляцию величины индуктивности и эта нелинейность исчезнет. Не тут то было . Из-за наличия гистерезиса, при изменении напряженности МП, индукция в сердечнике в определенные моменты остается на неизменном уровне, что также равносильно уменьшению магнитной проницаемости сердечника, и, соответственно, резкому падению мгновенного значения индуктивности. На следующих графиках этот процесс можно рассмотреть подробнее.
В динамике сердечник находится под воздействием МП постоянного магнита, что приводит к тому, что МП от тока, протекающего по ЗК и проникающего в сердечник, изменяет индукцию в нем по частной петле гистерезиса. И, естественно, все нелинейные эффекты, описанные выше, сохраняются. Более подробно эти явления и способы борьбы с ними будут рассмотрены дальше на более конкретных примерах.
Рис.5. Частная петля гистерезиса.
3. Для определенности, в качестве материала магнитопровода возьмем электротехническую сталь с максимальной индукцией насыщения 2.2 Тесла, введем в магнитную систему воздушный зазор и дадим постоянное подмагничивание в 1 Тесла через дополнительную катушку. В качестве источника сигнала возьмем источник тока, который позволит оценить нелинейность импеданса, измерив искажения по напряжению на входных клеммах V(OUT). Вот результаты моделирования взаимодействия ЗК и такой магнитной цепи при частоте малого сигнала 2KHz:
А вот что показывают натурные замеры искажений (значение THD относится к желтому графику, остальные графики демонстрируют спектры искажений при снижении уровня сигнала на 10dB (THD=0.517%) и 20dB (THD=0.221%) соответственно):
Видно, что эти искажения не настолько малы, что ими можно пренебречь. А по сравнению с искажениями современных УМЗЧ — они просто катастрофичны . Один из способов уменьшить этот вид искажений — применить токовое управление динамиком. Но здесь мы не должны упустить из рассмотрения тот факт, что сила, возникающая в "моторе" динамика, зависит не только от величины тока, но и от мгновенного значения магнитной индукции в зазоре. Поэтому интересно с помощью симулятора (а иначе — никак) взглянуть на искажения параметра B*I (смотрим на формулу силы Ампера).
Для начала можно посмотреть, как влияет на искажения B*I уровень постоянного подмагничивания в сердечнике (положение частной петли гистерезиса на кривой намагничивания):
Рис.8. Зависимость искажений B*I от постоянного подмагничивания.
На последнем фрейме видно как падают индуктивность ЗК и уровень искажений при нахождении сердечника в полном насыщении. Естественно предположить, что от амплитуды сигнала также зависит уровень искажений B*I. Симулирование показывает, что уровень третьей гармоники мало изменяется, нарастает только вторая гармоника, хотя ток в цепи ЗК (черный график) имеет преимущественно доминирующую третью гармонику:
Рис.9. Зависимость искажений B*I от уровня синусоидального сигнала.
Сравним теперь величины возникающих искажений в случае традиционной запитки динамика от источника напряжения (ИНУН) и источника тока (ИТУН) при одинаковой силе тока в ЗК.
Рис.8. Сравнение искажений при питании ЗК от ИНУН и ИТУН.
Видно, что в случае ИТУН, вторая гармоника уменьшилась незначительно, а третья практически исчезла. Это во многом объясняет улучшения в звуке при использовании ИТУНа. Подобный характер поведения гармоник соблюдается в широком диапазоне уровней постоянного подмагничивания в сердечнике и амплитуд сигнального тока в отличие от случая с ИНУНом.
4. Для уменьшения влияния индуктивности ЗК в некоторых динамиках применяют короткозамкнутый виток, одеваемый на керн магнитопровода. Так как влияние индуктивности при работе с ИТУНом минимально, рассмотрим случай работы динамика от ИНУНа. Моделируется это просто добавлением обмотки с резистором. Но, что-то в модели положительное влияние КЗ-витка на искажения не так значительно.
Рис.9. Влияние КЗ-витка на искажения.
Хотя общий импеданс ЗК при применении КЗ-витка, изготовленного из материала с высокой электропроводностью, например, меди, на высоких частотах достаточно хорошо выравнивается:
Рис.10. Влияние КЗ-витка на импеданс ЗК.
5. Известна технология AIC (ACTIVE IMPEDANCE CONTROL) или технология активной компенсации импеданса. Заключается она в использовании дополнительной неподвижной катушки индуктивности, расположенной на полюсе магнитной системы и включенной параллельно, но противофазно движущейся. За счет нее происходит "выталкивание" из магнитопровода переменной составляющей МП, генерируемой ЗК, что приводит к уменьшению нелинейных эффектов, связанных с наличием гистерезиса в магнитопроводе.
Рис.11. Конструкция магнитной системы и распределение МП.
В статье об AIC приведены результаты измерений, подтверждающие снижение искажений при использовании этой технологии.
Ее применение со слов разработчиков дает следующие эффекты:
1. Линеаризация импеданса в рабочем диапазоне частот;
2. Линеаризация акустической и электрической фазы;
3. Значительное увеличение чувствительности и общего звукового давления;
4. Уменьшение общего уровня гармонических искажений;
5. Стабильность передаваемой мощности.
Насчет 3 и 5 пунктов — не уверен, а вот 1, 2 и 4 пункты можно проверить симулятором. К примеру — смотрим поведение ЗК в частотной области:
Рис.12. Суммарный импеданс ЗК.
В общем-то, в случае идеальной компенсации, имеем чисто активный импеданс звуковой катушки динамика. Кроме того, теоретически, можно добиться практически полного отсутствия искажений, возникающих за счет нелинейности магнитного сердечника:
Рис.13. Искажения B*I при полной компенсации модуляции МП.
Конечно, при этом мы имеем определенные накладные расходы: приходится питать от выхода усилителя и дополнительную катушку. Но преимущества такого подхода должны перевешивать такой небольшой недостаток.
6. Заключение.
Хотя схемотехническое моделирование имеет определенные ограничения и по точности моделей, и по тем упрощениям, которые мы ввели в начале статьи, многое из процессов, происходящих в "моторе" динамика проясняется. Основная причина проблем, как выясняется — это наличие петли гистерезиса магнитной цепи, характеризующая степень сопротивляемости ферромагнетика к перемагничиванию, физически связанная с затратой энергии на переориентацию магнитных доменов в веществе. При этом мгновенная эффективная магнитная проницаемость материала падает, что приводит к возникновению искажений в динамике, как через амплитудную нелинейность импеданса, так и через нелинейность модуляции магнитного поля в сердечнике.
Напрашивается аналогия со специфическим видом искажений — "Memory Distortion" (искажения, связанные с предысторией сигнала/системы), которые практически невозможно скомпенсировать. Неплохим методом уменьшения этих искажений в месте их возникновения, является использование токового управления ЗК динамика. Свести к нулю этот вид искажений можно только полностью устранив сигнальную модуляцию МП в ферромагнетике. Короткозамкнутый виток частично решает эту задачу. Технология AIC теоретически позволяет это сделать наиболее полно. Хотя, никто не мешает придумать свои методы решения этой проблемы
Первоначально этот тест задумывался, чтобы сравнить две конструкции динамиков – с колпачком на диффузоре и с фазовыравнивающей "пулей". Но, как это часто бывает, различий оказалось больше, чем кажется на первый взгляд. Причем самые важные оказались вообще не на виду. Речь о кольце Фарадея в магнитной системе одного из динамиков.
Для чего это нужно?
Думаю, не надо подробно объяснять принцип работы динамика. Для тех, кто физику в школе прогуливал хотя бы через раз, а не совсем забил на неё, он прост – на звуковую катушку подается ток, и поскольку она находится в магнитном поле, то начинает двигаться. А заодно и тащить за собой диффузор, который уже толкает воздух. По сути, точно так же работает электромотор. Всё вроде бы понятно, если бы не одно "но".
Кто ходил на все уроки физики, знают не только как работает электромотор, но и как работает электрогенератор. Там тоже есть катушка, которая движется в магнитном поле и вырабатывает ток. Похоже на динамик? Так и есть, динамик работает ещё и как генератор, сам производя электроэнергию. Ещё говорят, генерирует противоЭДС. Кто не в курсе, ЭДС – это электродвижущая сила, измеряется в Вольтах.
Проще говоря, усилитель подаёт на динамик звуковой сигнал, а тот в обратку начинает огрызаться. Разные усилители, понятное дело, реагируют на это по-разному, какие-то более-менее терпят, какие-то сразу в искажения ударяются, но в любом случае приятного в этом мало.
Чтобы как-то успокоить хулиганства динамика, как раз и применяют кольцо Фарадея. Оно же – "короткозамкнутый виток" Это алюминиевое или медное кольцо, которое находится внутри магнитной системы. Его форма может быть разной – в виде пятачка на керне или колечка в самом магнитном зазоре, сейчас не об этом. Важно, что оно уменьшает "вредное" противоЭДС, делая динамик более покладистым и не таким капризным.
А вот сейчас, внимание, будет сложно. При работе динамика в кольце наводится ток. Образованный им магнитный поток направлен навстречу магнитному потоку, созданному током в самой звуковой катушке. Переварили? Короче, у звуковой катушки как будто бы меньше индуктивность становится. А заодно снижаются переходные и интермодуляционные искажения. Это так, не вдаваясь в подробности.
Как это работает на деле?
Итак, имеем две модели динамиков – Oris EX-654 и Oris GR-654. Если не считать пули у первого и колпачка на диффузоре у второго, в остальном они более-менее схожи.
Диффузоры из целлюлозы (немного разные по фактуре тыльной стороны, но сама целлюлоза используется одинаковая), одинаковые тканевые подвесы, звуковые катушки одного диаметра.
Первоначально этот тест задумывался, чтобы сравнить две конструкции динамиков – с колпачком на диффузоре и с фазовыравнивающей "пулей". Но, как это часто бывает, различий оказалось больше, чем кажется на первый взгляд. Причем самые важные оказались вообще не на виду. Речь о кольце Фарадея в магнитной системе одного из динамиков.
Для чего это нужно?
Думаю, не надо подробно объяснять принцип работы динамика. Для тех, кто физику в школе прогуливал хотя бы через раз, а не совсем забил на неё, он прост – на звуковую катушку подается ток, и поскольку она находится в магнитном поле, то начинает двигаться. А заодно и тащить за собой диффузор, который уже толкает воздух. По сути, точно так же работает электромотор. Всё вроде бы понятно, если бы не одно "но".
Кто ходил на все уроки физики, знают не только как работает электромотор, но и как работает электрогенератор. Там тоже есть катушка, которая движется в магнитном поле и вырабатывает ток. Похоже на динамик? Так и есть, динамик работает ещё и как генератор, сам производя электроэнергию. Ещё говорят, генерирует противоЭДС. Кто не в курсе, ЭДС – это электродвижущая сила, измеряется в Вольтах.
Проще говоря, усилитель подаёт на динамик звуковой сигнал, а тот в обратку начинает огрызаться. Разные усилители, понятное дело, реагируют на это по-разному, какие-то более-менее терпят, какие-то сразу в искажения ударяются, но в любом случае приятного в этом мало.
Чтобы как-то успокоить хулиганства динамика, как раз и применяют кольцо Фарадея. Оно же – "короткозамкнутый виток" Это алюминиевое или медное кольцо, которое находится внутри магнитной системы. Его форма может быть разной – в виде пятачка на керне или колечка в самом магнитном зазоре, сейчас не об этом. Важно, что оно уменьшает "вредное" противоЭДС, делая динамик более покладистым и не таким капризным.
А вот сейчас, внимание, будет сложно. При работе динамика в кольце наводится ток. Образованный им магнитный поток направлен навстречу магнитному потоку, созданному током в самой звуковой катушке. Переварили? Короче, у звуковой катушки как будто бы меньше индуктивность становится. А заодно снижаются переходные и интермодуляционные искажения. Это так, не вдаваясь в подробности.
Как это работает на деле?
Итак, имеем две модели динамиков – Oris EX-654 и Oris GR-654. Если не считать пули у первого и колпачка на диффузоре у второго, в остальном они более-менее схожи.
Диффузоры из целлюлозы (немного разные по фактуре тыльной стороны, но сама целлюлоза используется одинаковая), одинаковые тканевые подвесы, звуковые катушки одного диаметра.