Основные элементы конструкции
Упрощенная конструкция головного широкополосного стереофонического телефона показана на рисунке 1.
Упрощенная конструкция головного стереофонического телефона:
Стереотелефон состоит из двух телефонов, каждый из которых включает в себя преобразователь 1, заключенный в пластмассовый корпус 2, амбушюр 3, оголовье 4, кабель 5 и соединитель 6. Преобразователь является основной частью сложной акустико-механической системы телефона, включающей корпус и амбушюр. Корпус предназначен для защиты преобразователя телефона от повреждений и для закрепления оголовья (при его наличии). Амбушюром называется деталь телефона, обеспечивающая акустическую связь телефона с ухом. Оголовье предназначено для соединения двух телефонов и закрепления их на голове слушателя.
Современные стереотелефоны используют преобразователи трех типов: электродинамические, электростатические и пьезоэлектрические. В свою очередь, электродинамические преобразователи делятся на две группы: катушечные, цилиндрическая катушка которых находится в воздушном зазоре магнитной системы, и орто- и изодинамические. Катушечные преобразователи имеются двух видов:
- с миниатюрной магнитной системой и легкой подвижной системой;
- на основе головок громкоговорителей.
Схематический поперечный разрез электродинамического катушечного преобразователя с легкой подвижной системой показан на рисунке 2.
Рис. 2. Схематический поперечный разрез электродинамического катушечного телефона с легкой подвижной системой:
Преобразователь состоит из магнитной и подвижной систем. Магнитная система включает в себя кольцевой или керновой постоянный магнит 1 и магнитопровод, который представляет собой стальной стакан 2, ко дну которого приклеен магнит, верхний фланец 3 и полюсный наконечник 4. Между внутренним диаметром фланца и полюсным наконечником имеется равномерный кольцевой воздушный зазор, в котором с помощью магнита создается постоянное магнитное поле. Подвижная система состоит из диафрагмы 5, изготовленной из тонкой полиэтилентерофталатной или поликарбонатной пленки, и бескаркасной звуковой катушки 6, приклеенной к диафрагме. Подвижная система приклеивается так, чтобы катушка находилась в середине зазора магнитной цепи. Магнитные силовые линии в зазоре направлены радиально, поэтому при подведении к звуковой катушке напряжения в ней возникает сила, вызывающая изменение давления в полости уха с частотой колебания диафрагмы.
Схематический поперечный разрез преобразователя телефона на основе головки громкоговорителя приведен на рисунке 3.
Рис. 3. Схематический поперечный разрез электродинамического катушечного телефона на основе головки громкоговорителя:
Головка громкоговорителя электродинамического типа включает в себя магнитную и подвижную системы. Магнитная система состоит из кольцевого постоянного магнита 1, нижнего фланца с керном 2 и верхнего фланца 3. Подвижная система состоит из диффузора 4, приклеенной к нему звуковой катушки 5, центрирующей шайбы 6 и гофрированного подвеса 7. Диффузородержатель 8 соединяет обе части головки. Диффузор и центрирующая шайба приклеиваются к диффузородержателю так, что звуковая катушка находится в середине зазора между керном и верхним фланцем. Подвижная система преобразователей электродинамических телефонов на основе головок громкоговорителей значительно тяжелее подвижной системы преобразователей катушечных телефонов с легкой подвижной системой. Преобразователи данной конструкции имеют большие нелинейные искажения и по субъективной оценке качества звучания уступают телефонам с легкой подвижной системой.
Особенность преобразователей второй группы (ортодинамических и изодинамических) состоит в том, что плоский проводник, по которому протекает ток звуковой частоты, нанесен почти на всю поверхность плоской натянутой мембраны, расположенной между двумя плоскими магнитами. Поэтому Сила, действующая на мембрану, распределяется равномерно по всей ее поверхности, что обеспечивает синфазные колебания мембраны.
Ортодинамические преобразователи имеют круглую, слегка гофрированную мембрану с нанесенным на ее поверхность с одной или с обеих сторон плоским проводником, имеющим вид спирали, состоящей из нескольких секций с чередующимся направлением витков. Мембрана натянута и закреплена по периферии между двумя круглыми магнитами с отверстиями, расположенными на нескольких концентрических диаметрах. Полярность кольцевых зон магнита между рядами отверстий чередуется. Схематический поперечный разрез ортодинамического телефона представлен на рис. 4.
Рис. 4. Схематический поперечный разрез ортодинамического преобразователя:
а) конструкция ортодинамического преобразователя:
б) расположение полюсов магнитов:
В изодинамическом преобразователе проводник расположен на мембране в виде меандра. Магнитная система состоит из магнитных стержней, намагниченных в поперечном направлении с чередующейся полярностью. Проводники расположены на мембране между магнитами, т. е. в поле рассеяния магнитной цепи. Схематический поперечный разрез изодинамического преобразователя представлен на рис. 5.
Рис. 5. Схематический поперечный разрез изодинамического преобразователя:
а) конструкция магнитной системы:
б) расположение полюсов магнитов:
Схематический поперечной разрез электростатического преобразователя показан на рис. 6.
Принцип действия электростатического преобразователя:
Преобразователь содержит мембрану 1 из металлизированной полимерной пленки, расположенной между двумя перфорированными металлическими электродами 2. Между неподвижными электродами и мембраной расположены две прокладки 3, обеспечивающие воздушный зазор для свободного движения мембраны. На мембрану подается постоянное напряжение поляризации величиной в несколько сот вольт. При подаче на неподвижные электроды напряжения звуковой частоты мембрана начинает совершать колебания. Движение всех точек мембраны происходит синфазно, так как сила, действующая на мембрану, равномерно распределена по всей ее поверхности. Электростатические телефоны имеют очень высокое качество звучания, но они имеют сложную конструкцию, так как содержат источник высокого напряжения поляризации 4 и повышающий трансформатор 5.
Разновидностью электростатических преобразователей являются электретные, отличающиеся тем, что в них в качестве мембраны используется полимерная пленка, способная длительное время сохранять электрический заряд, вследствие чего не требуется внешнего источника постоянного напряжения. На поверхность электретной пленки методом напыления наносится металлический слой, выполняющий роль подвижного электрода. На нем индуцируется заряд со знаком, противоположным примыкающей к нему поверхности пленки. Подвижный электрод через сопротивление R соединен с неподвижным электродом. На неподвижном электроде скапливается заряд, равный по величине и обратный по знаку заряду подвижного электрода. В воздушном зазоре между неподвижным электродом и электретом возникает постоянное электрическое поле (рис. 7).
Рис. 7. Схема распределения зарядов в электретном преобразователе
В пьезоэлектрических преобразователях телефонов используется принцип обратного пьезоэффекта [5.2]. При подведении к материалу, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, переменного напряжения, материал претерпевает растяжения и сжатия, т. е. деформируется в соответствии с подводимым напряжением. В конструкциях телефонов в качестве материала для мембраны используют ориентированную пленку на основе поливинилиденфторида, которая после поляризации в сильном электрическом поле приобретает пьезоэлектрические свойства. Для использования в качестве пьезоэлемента пленку металлизируют с обеих сторон. Поливинилиденфторид представляет собой синтетическую смолу с высокой степенью полимеризации и кристаллизации. Пьезоэлектрические свойства пленки получает путем вытягивания вблизи температуры размягчения и поляризации при воздействии сильного электрического поля. Поливинилиденфторид также применяется в качестве электрета, однако разница между пьезоэлементом и электретом заключается в том, что электрический заряд электрета создается только на его поверхности, тогда как пьезоэлектрические свойства вещества обусловлены внутренней молекулярной деформацией, поэтому свойства электретов зависят от влажности и температуры окружающей среды, а свойства пьезоэлемента стабильны. Пьезоэлемент из поливинилиденфторидной пленки может работать в широком диапазоне частот и пригоден для высококачественного звуковоспроизведения.
Рис. 8. Схематический поперечный разрез пьезоэлектрического преобразователя:
На рис. 8 приведен схематический поперечный разрез пьезопленочного преобразователя. Мембрана 1 приклеена к картонной рамке 2 и помещена между двумя пластмассовыми прямоугольными рамками 3 и 4. В рамку 4 вкладывается кусок пенополиуретана прямоугольной формы 5. Сигналы снимаются с обеих сторон металлизированной поверхности мембраны с помощью контактных пластин 6 и 7. Детали преобразователя имеют радиусный изгиб, необходимый для обеспечения симметричного колебания мембраны в поперечном ее поверхности направлении. При подведении к металлизированным поверхностям мембраны переменного напряжения звуковой частоты пленка претерпевает растяжения и сжатия, что вызывает колебания мембраны в направлении, перпендикулярном ее поверхности. При этом сила, действующая на мембрану, распределена по всей ее поверхности, что приводит к синфазным колебаниям отдельных ее участков. Телефоны с пьезоэлектрическими преобразователями очень просты по конструкции и имеют высокое качество звучания, трудность заключается в разработке пьезопленки с величиной пьезомодуля, необходимой для обеспечения требуемого уровня звукового давления телефона.
По принципу акустической нагрузки, т. е: акустической связи телефона с ухом слушателя, телефоны разделяются на два типа: закрытые и открытые. Закрытые телефоны имеют кожаные амбушюры и корпус без отверстий, т. е, они нагружены на замкнутый объем. В зависимости от формы амбушюра закрытые телефоны могут быть либо охватывающими, либо прижимными. Охватывающим называется телефон, амбушюр которого охватывает ушную раковину и прижимается к голове. Прижимным называется телефон, прижимаемый снаружи к ушной раковине. Открытыми называются телефоны, электроакустический преобразователь которых сообщается с открытым пространством как со стороны уха, так и с обратной стороны. Эта связь с передней стороны обеспечивается пористым амбушюром, а сзади — отверстиями в магнитопроводе и корпусе телефона. К этому же типу относятся телефоны, вкладываемые в ушную раковину и удерживающиеся в ней с помощью амбушюра либо оголовья. Каждый тип конструктивного оформления телефонов имеет свои преимущества и недостатки.
Закрытые охватывающие телефоны почти полностью изолируют слушателя от окружающей среды. Это явление действует на слушателя отрицательно и вызывает у него быструю утомляемость, которая усугубляется еще двумя причинами, вызывающими дискомфорт: это чувство «давления на уши», возникающее из-за герметичности объема под амбушюрами и давления амбушюров на голову, которое трудно уменьшить, так как при этом может нарушаться герметичность и эффективность воспроизведения нижних частот. Уменьшить прижим охватывающих телефонов, не нарушая при этом герметичности объема, можно, используя специальный мягкий амбушюр и оголовье с шарнирным устройством, обеспечивающим плотное прилегание амбушюра к голове. Амбушюры отечественных охватывающих телефонов, перечисленных в справочнике, не обладают достаточной мягкостью и эластичностью, позволяющей ослабить прижим оголовья. Кроме эргономических недостатков конструкция закрытых охватывающих телефонов не позволяет обеспечить хорошее воспроизведение высоких частот и получить равномерную ЧХЗД в среднечастотном диапазоне из-за возникновения продольных и поперечных стоячих волн, образующихся в объеме под амбушюром. Неравномерность ЧХЗД можно отчасти уменьшить пористым вкладышем в объем под амбушюром, но при этом несколько ухудшается воспроизведение высоких частот.
Прижимные закрытые телефоны не вызывают у слушателя чувство оторванности от окружающей среды, так как объем под амбушюром, вследствие сложной конфигурации ушной раковины, не может быть герметичным. Однако это в свою очередь уменьшает эффективность воспроизведения низких частот. Неудовлетворительные эргономические показатели закрытых телефонов, а также общая тенденция к уменьшению размеров и облегчению веса звуковоспроизводящей аппаратуры привели к широкому распространению открытых головных телефонов для прослушивания записей от бытовой радиоаппаратуры. Однако в некоторых случаях, например для контрольного прослушивания при записи магнитных фонограмм, а также для учебных целей с тем, чтобы сидящие рядом учащиеся не мешали друг другу, по-прежнему широко используются охватывающие телефоны.
Открытые телефоны, имеющие по сравнению с закрытыми значительно меньшие размеры и массу, используются, как правило, для работы от малогабаритной носимой звуковоспроизводящей аппаратуры. Вследствие малых размеров преобразователя и применения пористого пенополиуретанового амбушюра, малогабаритные телефоны не могут обеспечить высококачественного воспроизведения низких частот. Конструкция полуоткрытых телефонов, имеющих амбушюры из плотного эластичного материала, оптимально сочетает в себе достоинства вышеперечисленных типов телефонов.