Altavoz electrodinámico

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Un altavoz electrodinámico es un altavoz en el que una señal eléctrica se convierte en sonido, debido al movimiento de una bobina con corriente en el campo magnético de un imán permanente (con menos frecuencia un electroimán), seguido de la conversión de las vibraciones mecánicas resultantes en vibraciones del aire circundante utilizando un difusor.

Historia

El teléfono de Bell y los diseños posteriores utilizaron una cápsula electromagnética para convertir las vibraciones eléctricas en acústicas . En él, una membrana hecha de un material magnéticamente blando oscilaba en el campo magnético de un imán permanente y un electroimán . Hasta finales de la década de 1920, la mayoría de los altavoces utilizaban este principio de funcionamiento. Dichos altavoces tenían un alto nivel de distorsión no lineal y de frecuencia, así como pérdidas debidas a las corrientes de Foucault y la histéresis [1] .

La primera bobina con corriente moviéndose a través de las líneas de fuerza fue propuesta para ser utilizada en un altavoz por Oliver Lodge en 1898 [2] . En 1924 Chester W. Arrozy Edward W. Kelloggpatentó el diseño más cercano al moderno del altavoz electrodinámico [3] .

En los años 20-30 del siglo XX no se conocían materiales para la producción de imanes permanentes de potencia suficiente, por lo que en los parlantes de esos años se utilizaban electroimanes en el sistema magnético . Además de la función principal, crear un campo magnético para el altavoz, también actuaron como un estrangulador , debilitando la corriente de fondo de la red eléctrica, causada por un filtrado insuficiente del voltaje rectificado en la fuente de alimentación . Además, se podría utilizar una bobina antifonal especial en el sistema magnético del altavoz para suprimir el fondo. Sin embargo, la presencia de una bobina de este tipo limitó el uso de dichos altavoces en radios de batería (debido al mayor consumo de batería), puntos de radio y altavoces remotos (debido a la necesidad de una fuente de alimentación adicional). Por esta razón, el altavoz dinámico no reemplazó inmediatamente a los electromagnéticos : por ejemplo, los altavoces tipo Record se produjeron en la URSS hasta 1952. Sin embargo, en los equipos Hi-End , se pueden usar altavoces de bobinado de campo además del imán permanente.

El dispositivo del altavoz electrodinámico

La parte fija del altavoz electrodinámico incluye un portadifusor y un sistema magnético . El difusor se conecta elásticamente al soporte del difusor desde el exterior con la ayuda de una suspensión y desde el interior con la ayuda de una arandela de centrado . Una bobina de voz está unida rígidamente al difusor , que puede moverse libremente en el espacio magnético sin tocar las paredes. El orificio de la parte central del difusor está cubierto con una tapa protectora .

Suspensión

Una suspensión flexible corrugada (ondulación de borde, "collar") debe proporcionar una frecuencia de resonancia relativamente baja (es decir, tener una alta flexibilidad); la naturaleza plano-paralela del movimiento (es decir, la ausencia de torsión y otros tipos de vibraciones) del sistema en movimiento en ambas direcciones desde la posición de equilibrio y la absorción efectiva de la energía de las vibraciones resonantes del sistema en movimiento. Además, la suspensión debe conservar su forma y propiedades a lo largo del tiempo y bajo la influencia de factores climáticos del medio exterior (temperatura, humedad, etc.). Desde el punto de vista de la configuración (forma del perfil), que afecta significativamente a todas estas propiedades, las más comunes son las suspensiones semitoroidales, en forma de pecado, en forma de S, etc. Tipos de caucho natural, espuma de poliuretano, tejidos cauchutados , tejidos naturales y sintéticos con revestimientos especiales de amortiguación.

Difusor

El difusor es el elemento radiante principal del altavoz, que debe proporcionar una respuesta de frecuencia lineal en un rango de frecuencia dado. Idealmente, el cono debería funcionar como un pistón , alternando para transmitir las vibraciones de la bobina móvil al aire circundante. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, aparecen en ella fuerzas de flexión, lo que conduce a la aparición de ondas estacionarias, lo que significa picos y valles de resonancia en la respuesta de frecuencia del altavoz, y distorsión del sonido. Para reducir la influencia de estos efectos, se intenta aumentar la rigidez del difusor, utilizando materiales de menor densidad. En los diseños modernos, en promedio, para altavoces de baja frecuencia de 8-12 pulgadas, el rango de operación se extiende hasta 1 kHz, 5-7 "los de frecuencia media, hasta 3 kHz, los de alta frecuencia, hasta 20 kHz .

Los difusores por tipo de material son:

• los rígidos (cerámica, aluminio) proporcionan el nivel más bajo de distorsión debido a la menor flexión de la superficie del difusor, pero al mismo tiempo tienen un factor de calidad demasiado alto , lo que significa un pico de resonancia pronunciado. La tarea del fabricante es desplazar este pico más allá de las frecuencias operativas. Al mismo tiempo, estas dinámicas ocupan las primeras posiciones de precios;
• semirrígido (hecho de fibra de vidrio o Kevlar con un aglutinante de resina polimerizada y horneada, "sándwiches"): un compromiso entre blando y duro. Dan más distorsión, pero tienen un sobreimpulso de resonancia más bajo y, en general, a frecuencias más bajas;
• Los difusores blandos (polipropileno, polimetilpenteno) suelen tener una respuesta de frecuencia plana debido a la absorción de las ondas sonoras por el material del difusor, y un sonido suave y agradable en casi todo el rango, pero tienen parámetros de impulso pobres (falta de claridad). Además, se puede acoplar un difusor suave a un soporte de difusor sin suspensión;
• Destacan los difusores de papel , que dan una coloración muy característica al sonido, para eliminarlos se le añaden al papel diversas fibras sintéticas y naturales, se barniza el difusor, etc. Los difusores de papel son más fáciles de fabricar y en algunos casos permiten haga un difusor, una suspensión y una tapa de un solo material.

Los difusores pueden ser:

• cúpula , habitualmente utilizada en tweeters;
• cono  : más ampliamente distribuido debido a una mayor versatilidad. Casi nunca se usan solo en tweeters debido a la directividad de la radiación. Existen varios tipos de perfiles difusores de cono:
  • los lineales son lo más rígidos posible, pero con un valor de resonancia máximo, cuando la onda de compresión longitudinal del material de la bobina resuena con la onda transversal de la propia carcasa;
  • segmento circular le permite suavizar la resonancia;
  • exponencial le permite suavizar la resonancia de manera más eficiente.

En la práctica, se utilizan combinaciones de los tres tipos para cambiar la resonancia a la región de alta frecuencia o distribuir su pico en un rango más amplio al reducir la amplitud.

• Los conos planos rara vez se usan, principalmente en woofers, debido a la distorsión de intermodulación muy alta.

Difusores de uso menos común de una forma más compleja, por ejemplo , corrugados , que combinan un cono y varias suspensiones en una parte a la vez: esta solución se usa para altavoces de banda ancha de tamaño pequeño para reducir la distorsión de intermodulación y ampliar el rango de frecuencias reproducibles.

Otras resonancias importantes del sistema difusor-suspensión también dependen de la forma de la generatriz y de la rigidez del material. Todos los difusores suaves tienen una caída característica y luego un aumento en la respuesta de frecuencia, cuando las oscilaciones van más allá del difusor y la suspensión entra en funcionamiento.

También debe tenerse en cuenta que si la dinámica es uniforme en el plano infinito de la respuesta de frecuencia, entonces en un plano de 200 mm de ancho, la respuesta de frecuencia aumentará en la región de 700-900 Hz, por lo que los difusores que dan una la caída en esta área tendrá una respuesta de frecuencia plana en el caso, y no se necesitarán circuitos correctivos adicionales, y algunos fabricantes toman esto en cuenta.

Gorra

La tapa antipolvo es una carcasa esférica que, al tiempo que protege el espacio de trabajo del circuito magnético del polvo, también es una nervadura de refuerzo circunferencial. Además, el casquete es un elemento radiante que contribuye a la formación de la respuesta de frecuencia en las frecuencias medias y altas. Para garantizar la rigidez estructural, las tapas se fabrican, por regla general, en forma de cúpula con diferentes radios de curvatura. Como material se utilizan composiciones de celulosa , películas sintéticas, telas impregnadas . Los altavoces potentes de baja frecuencia a veces usan tapas de metal, lo que les permite usarse como un elemento adicional para eliminar el calor de la bobina móvil. Pero para los diseños con tapas, surgen resonancias de alto Q en el espacio entre la tapa y la bobina, por lo que algunos fabricantes en lugar de tapas colocan "balas" de ecualización de fase que no introducen sus propias distorsiones.

Arandela de centrado

Se instala una arandela especial entre el difusor y la carcasa del altavoz, que debe garantizar la estabilidad de la frecuencia de resonancia de los altavoces de baja frecuencia en condiciones de cargas dinámicas y térmicas, la linealidad de las características elásticas en grandes desplazamientos del sistema en movimiento, evitar el desplazamiento de la bobina de voz en la dirección radial y la "flacidez" del sistema de movimiento, y también protegen el espacio magnético contra el polvo. Por lo general, los altavoces de baja frecuencia utilizan arandelas de centrado con una ondulación sinusoidal (el número de ondulaciones varía de 5-7 a 9-11), planas o "puenteadas". Sin embargo, en algunos modelos existen arandelas de configuraciones más complejas (por ejemplo, tangenciales), que según las empresas que las utilizan, aportan mayor linealidad de las características elásticas, estabilidad de forma, etc. Inicialmente, la arandela de centrado tenía una forma completamente diferente. diseño: estaba unido al núcleo del sistema magnético y al interior de la bobina móvil. Tal arandela tenía un aspecto distintivo, lo que le dio el nombre de "araña", que ha sobrevivido en algunos idiomas a pesar de que las arandelas de centrado modernas tienen un diseño completamente diferente.

Como materiales para las arandelas se utilizan tejidos de aramida natural (como percal , percal grueso , etc.) impregnados con barniz de baquelita, tejidos sintéticos a base de poliamidas , poliéster , nailon , etc.. Algunos altavoces de baja frecuencia utilizan arandelas, cuyo material es hilos de metal tejido (aluminio, cobre) que, según los fabricantes, mejoran la disipación de calor de la bobina móvil.

Bobina móvil y sistema magnético

Una bobina de voz es una bobina con alambre , que se encuentra en el hueco del circuito magnético y proporciona, junto con el sistema magnético del altavoz, la conversión de energía eléctrica en energía mecánica. El sistema magnético del altavoz generalmente consiste en un anillo magnético y un núcleo, en el espacio entre los cuales se mueve la bobina móvil sin tocar las paredes. De gran importancia es la uniformidad del campo magnético dentro de la carrera de la bobina, por lo que los polos de los imanes se forman de una manera especial y se coloca una tapa de cobre en el núcleo. Para reducir la masa de la bobina (que es especialmente importante en los tweeters), los fabricantes a veces usan alambre de aluminio, incluido el alambre revestido de cobre. La corriente eléctrica se suministra a la bobina mediante cables flexibles, que son cables enrollados en un hilo sintético. Los cables suelen estar fijados al cono para que no toquen otras partes del altavoz durante el funcionamiento. Los extremos opuestos de los cables están conectados al bloque de terminales ubicado en la base del altavoz (al que se sueldan los conductores del circuito eléctrico del dispositivo en el que está instalado el altavoz). Por lo general, los terminales están marcados con signos "+" y "-", lo que le permite realizar la puesta en fase correcta (inclusión de modo común) de los cabezales que componen el sistema de altavoces . Los difusores de los cabezales, encendidos en fase, se desplazan en cada momento del tiempo en una dirección (hacia adentro o hacia afuera), lo que puede controlarse visualmente aplicando brevemente un pequeño voltaje constante a los cabezales.

Cómo funciona

Cuando se aplica una señal eléctrica de una frecuencia de audio , la bobina produce oscilaciones forzadas en el campo de un imán permanente bajo la acción de la fuerza Ampère perpendicular a las líneas del campo magnético, arrastrando el difusor y creando ondas de rarefacción y compresión en el aire a través de eso. El enlace difusor-bobina oscila con la frecuencia de la corriente aplicada. Con un pequeño grosor de los núcleos magnéticos que forman el espacio, solo una pequeña parte de la bobina funciona realmente, aproximadamente igual al grosor de los núcleos magnéticos del espacio. Las partes de la bobina que van más allá del espacio casi no funcionan, tales altavoces tienen una eficiencia muy baja . La fuerza que actúa sobre la bobina se puede calcular aplicando la ley de Ampère

,

donde  está la inducción del campo magnético en el espacio,  es la corriente que pasa a través de la bobina,  es la parte de la longitud del cable de la bobina ubicada en el espacio de los circuitos magnéticos.

,

donde  es el número de vueltas de la bobina en el espacio,  es el diámetro de la bobina.

,

donde  está el grosor de los circuitos magnéticos que forman el espacio,  es el diámetro del cable de la bobina.

Para aumentar la eficiencia del altavoz, es necesario aumentar el grosor de los circuitos magnéticos que forman el espacio, mientras que proporcionalmente al aumento del espacio, la inducción magnética en el espacio disminuye , pero aumenta la parte de trabajo relativa de la bobina. , es decir, la parte de trabajo relativa de la longitud del cable de la bobina hasta un cierto valor, después de lo cual la parte de trabajo relativa de la longitud del cable de la bobina comienza a disminuir. Cuando cambia la amplitud de la señal eléctrica de la frecuencia de audio, también cambia la posición del difusor. Dado que la señal eléctrica de la frecuencia de audio aplicada a la bobina tiene una frecuencia dentro de la audibilidad del oído humano (16-20 000 Hz ), el difusor también oscila en relación con el imán permanente con la misma frecuencia.

La frecuencia de oscilación real del difusor de la mayoría de los cabezales dinámicos y las capas de aire adyacentes se encuentra en el rango de aproximadamente 300-12 000 Hz, y cuanto más pequeño y simple sea el altavoz, menor será este rango de frecuencia y menos lineal su respuesta de amplitud-frecuencia . En frecuencias fuera de este rango, la potencia radiada es insignificante. Para reproducir las frecuencias más bajas (aproximadamente 16-250 Hz), los cabezales dinámicos de tamaño pequeño son completamente inadecuados.

Un difusor oscilante crea ondas sonoras en el aire que son percibidas por el oído humano. Así, con la ayuda de un cabezal dinámico, la señal eléctrica del rango de frecuencia de audio del amplificador se convierte en sonido.

Al reproducir las frecuencias más bajas del rango de frecuencias que reproduce el parlante, funciona toda la superficie del difusor, y al reproducir las frecuencias más altas del rango de frecuencias, solo funciona su parte central, que se encuentra sobre la bobina. Por lo tanto, en los altavoces de rango completo, a menudo se coloca una capa de metal, polímero o papel en el centro, una cúpula para mejorar la reproducción de las frecuencias altas.

Especificaciones del cabezal dinámico

Al determinar los parámetros de potencia del cabezal, se debe tener en cuenta que en la URSS en diferentes momentos se expresaron de manera diferente: hasta 1985 según GOST 9010, luego según OST 4.383.001, cuyos requisitos están más cerca de internacional estándares

Las principales características técnicas del cabezal dinámico son las siguientes.

• El tipo de cabeza dinámica es de rango completo (banda ancha - GDSh, cabeza de banda ancha dinámica), baja frecuencia (GDN), frecuencia media (GDS), alta frecuencia (GDV).
• Diámetro nominal: por regla general, el diámetro exterior del soporte del difusor (marco). Con menos frecuencia: el diámetro de la suspensión del difusor o la distancia entre los orificios de montaje opuestos. Para controladores de compresión, el diámetro de la garganta de la bocina.
• Potencia : se pueden especificar múltiples valores de potencia:
  • Potencia según DIN 45500: potencia (sinusoidal o musical), en la que la distorsión de la señal no supera el 1%. En la URSS existía un concepto similar de potencia nominal , para el cual, sin embargo, no se establecía un nivel estándar de distorsión;
  • Límite, RMS (Rated Maxmum Sinusoidal): la potencia sinusoidal de entrada que el cabezal puede soportar durante una hora sin destrucción. El cabezal se puede destruir con mucha menos energía si el altavoz se carga más allá de sus capacidades mecánicas a frecuencias muy bajas (por ejemplo , música electrónica con mucho bajo o música de órgano ), y la destrucción también puede ser causada por sobrecargar ("recortar") el amplificador de poder. En la URSS, se utilizó un parámetro similar: potencia de la placa de identificación, pero se midió en una señal de ruido durante 100 horas;
  • La potencia máxima (a corto plazo) ( PMPO ) es la potencia que un altavoz puede manejar durante un breve periodo de tiempo. En la URSS, este tiempo se estandarizó a 1 segundo, mientras que en la actualidad este parámetro no está estandarizado. Puede ser diez veces más que la potencia nominal. En la década de 1990, muchos fabricantes de productos electrónicos de gama baja en China imprimieron esta potencia nominal en sus productos, pero esta potencia no tiene sentido para el consumidor final.
• Impedancia (impedancia nominal): por regla general, los controladores dinámicos tienen una impedancia de 2, 4, 8 o 16 ohmios. Los cabezales de auriculares dinámicos son de más alta impedancia (32 ohmios o más). Cuanto mayor sea la impedancia del cabezal, más voltaje de frecuencia de audio se debe aplicar al cabezal para lograr la potencia nominal. Por lo tanto, es posible que los cabezales de alta impedancia no desarrollen la potencia máxima cuando funcionan con un UMZCH que tiene un voltaje de alimentación insuficientemente alto (equipo portátil con fuente de alimentación de bajo voltaje), y los de baja impedancia crearán una sobrecarga (del amplificador y de ellos mismos) si está conectado a un amplificador con un alto voltaje de salida diseñado para cabezales de alta impedancia.
• Respuesta de frecuencia: la respuesta de salida medida o declarada en un rango de frecuencia dado con una señal de entrada de amplitud constante en todo el rango dado. Como regla general, se indica un límite de desviaciones de la característica, por ejemplo, "± 3 dB".
• Los parámetros de Thiel-Small  son un conjunto de parámetros electroacústicos que caracterizan al parche como un sistema oscilatorio.
• La sensibilidad es el nivel de presión sonora producido por un cabezal dinámico cuando se aplica una señal de 1 W, medida a una distancia de 1 m del cabezal. Los cabezales dinámicos más sensibles crean la presión de sonido requerida ( volumen de sonido ) a una potencia de señal más baja, lo que permite el uso de un UMZCH menos potente.
• El nivel máximo de presión sonora es la presión máxima que puede desarrollar un parche sin dañarse o sin superar un determinado nivel de distorsión. Depende en gran medida de la sensibilidad del cabezal y de su potencia. Este parámetro se da, por regla general, medido en un rango de frecuencia y tipo de señal arbitrarios (a discreción del fabricante).

Aplicación

Para una reproducción de señal de alta calidad, un altavoz necesita reproducir una señal en un amplio rango de frecuencias con baja distorsión (no lineal, intermodulación, frecuencia, etc.), en un amplio rango dinámico y con la mayor eficiencia posible . Todos estos requisitos no pueden tenerse en cuenta en el diseño de un cabezal dinámico simple. Además, debido al fenómeno del cortocircuito acústico, es imposible crear una cabeza dinámica abierta que opere satisfactoriamente en frecuencias medias y bajas. Para expandir el rango de frecuencia, se puede usar un difusor de forma compleja (corrugado, con un cono adicional, etc.). Sin embargo, para la reproducción de sonido de alta calidad, se utilizan sistemas acústicos complejos , que consisten en varios cabezales de banda más estrecha y que también incluyen herramientas de diseño acústico para aumentar la eficiencia y crear las características requeridas del altavoz ( patrón de directividad , respuesta de frecuencia , etc.).

El dispositivo de la cabeza electrodinámica, debido a la propiedad de reversibilidad , es idéntico en principio al dispositivo de un micrófono dinámico , y por lo tanto, estos dispositivos pueden intercambiarse. Por ejemplo, en muchos diseños de intercomunicadores, intercomunicadores e incluso en dispositivos de escucha que alguna vez fueron montados por servicios especiales en receptores de transmisión por cable, los cabezales dinámicos podrían usarse como un receptor de sonido: un micrófono.

Notas

1. ↑ VG Lukacher. Sistemas de altavoces // Radiofront. - 1936. - Nº 5 (marzo).
2. ↑ Steven E. Schoenherr. Historia  de los altavoces . Sociedad de Ingeniería de Audio (2001). Recuperado: 6 de mayo de 2016.
3. ↑ Steven E. Schoenherr. Arroz-Kellogg  (inglés) . Sociedad de Ingeniería de Audio (2001). Recuperado: 6 de mayo de 2016.
4. ↑ R. M. Tereshchuk, K. M. Tereschuk, S.A. Sedov. Dispositivos amplificadores-receptores de semiconductores / A.E. Stepánov. - Kyiv: Naukova Dumka, 1982. - S. 91. - 672 p. - 330.000 ejemplares.

Literatura

• Altavoz electrodinámico : artículo de la Gran Enciclopedia Soviética . 
• Pavlovskaya V. I., Kacherovich A. N., Lukyanov A. P. Equipos acústicos y electroacústicos. 2ª ed. — M.: Arte, 1986
• Acústica. Directorio. ed. M. A. Sapozhkova. - M.: Radio y comunicación, 1989.
• Korolkov V. G., Sapozhkov M. A. Manual de acústica. Bajo total edición M. A. Sapozhkova. - M.: Radio y comunicación, 1979.
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• Iofe VK, Lizunkov MV Sistemas domésticos acústicos. - M.: Radio y comunicación, 1984.
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• Altavoces Ephrussi M. M. y su aplicación. - M.: Energía, 1971.
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Documentación técnico-normativa

• GOST 16122-87. Altavoces. Métodos de medida de parámetros electroacústicos.
• GOST 23262-88. Sistemas acústicos domésticos. Especificaciones generales.
• GOST 27418-87. El equipo es radioelectrónico de uso doméstico. Términos y definiciones.
• GOST 9010-84. Cabezales de altavoces dinámicos de radiación directa. Especificaciones generales.
• BSO 4.383.001-85. Los cabezales de los altavoces son dinámicos. Especificaciones generales.

Componentes electrónicos
Pasivo	Resistor Resistencia variable Resistencia de corte varistor fotorresistencia Condensador condensador variable Condensador de recorte Varikond Inductor Transformador resonador de cuarzo Fusible Fusible reiniciable Memristor bartter
Estado sólido activo	Diodo Diodo emisor de luz Fotodiodo diodo láser Diodo Schottky diodo Zener Estabilizador varicap Magnetodiodo Puente de diodos diodo de gunn diodo túnel diodo de avalancha diodo de avalancha Transistor transistor bipolar Transistor de efecto de campo Transistores CMOS transistor uniunión fototransistor Transistor compuesto transistor balístico Circuito integrado Circuito integrado digital Circuito integrado analógico Circuito Integrado Analógico-Digital circuito integrado hibrido tiristor Triac dinistor fototiristor Optoacoplador ( optoacoplador de resistencia ) Sensor de pasillo
Vacío activo y descarga de gas	Lámparas de vacío Diodo de electrovacío ( Kenotron ) triodo tetrodo tetrodo de haz Pentodo hexágono Heptod ( pentagrid ) octubre Nonod mecatrón lámparas de descarga diodo Zener tiratrón Ignitrón Krytrón Trigatrón Decathron magnetrón Klystron Amplitron ( Platinotrón ) Lámpara de ondas viajeras Lámpara de onda trasera Tubo de rayos catódicos
Dispositivos de visualización	Tubo de rayos catódicos pantalla LCD Diodo emisor de luz Indicador de descarga Indicador fluorescente de vacío marcador intermitente Indicador de siete segmentos Indicador de matriz cinescopio
Acústico	Micrófono Altavoz Galga extensiométrica emisor piezocerámico Zumbador capsula telefonica
Termoeléctrico	termistor Par termoeléctrico El elemento Peltier