РОЗДІЛ 2
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ВИПРОМІНЮВАЧІВ ЗВУКУ
Основною причиною, що привертає увагу виробників до динамічних випромінювачів звуку, є їх високі електроакустичні характеристики та відносно низька вартість [20,39,76], при цьому контроль цих характеристик здійснюється виключно опосередкованими методами на основі прямого контролю звукового тиску. Але, оскільки електроакустичні характеристики суттєво залежать від теплофізичних процесів, що відбуваються під час роботи ВЗ, то для дослідження і прогнозування їх властивостей доцільним є побудова математичної моделі динамічних випромінювачів звуку, розробка методики проведення експерименту для визначення теплового поля випромінювача, а також оптимізація його конструкції.
2.1. Математичне моделювання електродинамічних випромінювачів звуку як системна задача
Основним завданням моделювання випромінювачів звуку є забезпечення неспотвореної передачі часової структури вхідного сигналу [37]. Технічно реалізованим є завдання передачі часової структури сигналу з спотвореннями меншими за слуховий поріг людини [78]. Саме ця умова висуває вимоги до неспотвореної передачі частотного і динамічного діапазону сигналу, а звідси і до рівня лінійних і нелінійних спотворень у випромінювачі в звуку (формі АЧХ, ФЧХ і т.д) [2,73].
У залежності від класу акустичної апаратури, у якій застосовується ВЗ це завдання реалізується з різним ступенем наближення. Для ВЗ апаратури НІ - FI [145] і студійної техніки - з максимальним ступенем наближення, а для ВЗ, які створюються для переносної масової апаратури, особливо з автономним джерелом живлення, головною метою є забезпечення максимального коефіцієнта корисної дії, при заданих обмеженнях на відтворюваний діапазон частот і рівень нелінійних спотворень [68,69].
Електродинамічний ВЗ є складним електромеханічним перетворювачем, в якому відбуваються лінійні і нелінійні перетворення сигналу U(t), що підводиться в вигляді напруги від підсилювача [152-154], а якщо ВЗ працює в складі акустичного пристрою, наприклад АС, сигнал подається через відповідні фільтруючо - коректуючі ланки і перетворюєься у розподілений в просторі звуковий тиск [2,4]. Якщо вхідний сигнал є аналогом реального музичного, або мовного сигналу, він має складну часову нестаціонарну структуру.
Функціонально динамічний ВЗ можна представити у вигляді системної моделі, зображеної на рисунку 2.1. ?3, 39?:
Рис.2.1. Системна модель динамічного випромінювача звуку
Електромагнітний перетворювач складається з магнітного кола і звукової котушки, у ньому здійснюється перетворення підведеної до звукової котушки напруги U(t) в змінний струм I(t) і в електромеханічну силу F(t) [3]:
I(t) = L1?U(t)?;
F(t) = L2?I(t)?;
де L1 і L2 - оператори перетворення нелінійного типу.
Механічний перетворювач - це рухома система ВЗ, яка здійснює лінійне і нелінійне перетворення сили F(t) в розподілене по поверхні механічне зміщення U*:
L3i (U*) = F(t),
де L3i - оператори, які описують коливні процеси поверхні рухомої системи ВЗ; U* - вектор механічного зміщення.
Акустичним перетворювачем в даному випадку є випромінювальна діафрагма і повітряне середовище, що служать для перетворення зміщення U* в розподілений в просторі звуковий тиск. Потенціал звукового поля Ф, пов'язаний з тиском на виході акустичного перетворювача наступним співвідношенням:
Коливна швидкість на поверхні діафрагми ВЗ, рівна:
?вз = du*3/dt
Всі ці підсистеми мають прямий і зворотній вплив одна на одну: механічний перетворювач на електромагнітну через зміщення звукової котушки, акустична на механічну - через звуковий тиск на поверхню і т. д [20].
Даний ВЗ входить до складу акустичної системи, яка повинна забезпечити неспотворену передачу вхідного сигналу у великому динамічному діапазоні. Для ВЗ ці вимоги виражені у створенні конструкцій, здатних витримувати без механічних і теплових пошкоджень потужності до 100 і вище Вт.
Описаний ВЗ є складною механічною системою і поряд з перевагами має ряд принципових недоліків. Рухома система ВЗ має велику інерційність, яка призводить до перехідних спотворень, що особливо відчутно на середніх і високих частотах. Традиційний ВЗ є нелінійним перетворювачем [9,18] як в електричній частині, так і в механічній, що призводить до виникнення різних спотворень, особливо при високих навантаженнях. За рахунок просторової протяжності випромінюючого елемента вздовж осі випромінення часто виникають фазові інтерференційні спотворення, що приводить до втрати прозорості і відкритості звуку. Виробництво високоякісних електродинамічних ВЗ потребує значних капіталовкладень, спеціальних технологій і великої кількості обладнання [18,31].
Одним з типів перетворювачів, що дозволяють в значній мірі усунути ці недоліки є ізодинамічні випромінювачі (від грецького слова "ізос" - рівний, рівномірний).
Ізодинамічні перетворювачі звуку - це перетворювачі з розподіленою силою збудження мембрани, які використовують електродинамічний принцип перетворення електричної енергії в акустичну.
Принцип дії цих перетворювачів полягає у взаємодії змінного електричного струму з постійним магнітним полем, що звичайно створюється постійним магнітним полем.
Іноді їх називають магнепланарними через характерну для них плоску конструкцію магнітної системи або просто смуговими. Деякі варіанти конструкції ізодинамічних ВЗ отримали назву оріофазні і онідинамічні.
Ізодинамічний перетворювач - це перетворювач, що має рухому систему у вигляді натягнутої на каркас діелектричної мембрани, на якій розміщена звукова котушка у вигляді спіралеподібних планарних провідників. Принциповою особливістю таких ВЗ є те, що звук випромінюється тонкою, майже невагомою мембраною, що збуджується на значній частині коливної поверхні [30].
В опрацьованій літературі практично відсутні теоретичні дослідження теплових процесів, що відбуваються при роботі динамічних ВЗ, та пов'язаних з ними акустично-механічних характеристик, питання поведінки ру