Основные характеристики. Методы измерений

Требования к электроакустическим параметрам на головки громкоговорителей и методам их измерений приведены в отечественных и международных стандартах.

Стандартом на головки громкоговорителей предусмотрены следующие характеристики: номинальный диапазон частот, уровень характеристической чувствительности, неравномерность АЧХ, номинальное электрическое сопротивление, предельная шумовая, синусоидальная, долговременная и кратковременная мощности, полный коэффициент гармонических искажений на частотах, входящих в номинальный диапазон, номинальное среднее звуковое давление.

В целом методы измерений электроакустических характеристик и характеристик электрической мощности, рассмотренные выше для акустических систем, применяются и для ГГ. Однако имеются и некоторые отличия. Так, в ГГ нормируется эффективный рабочий диапазон частот ГГ, т. е. диапазон частот, в котором заданы электроакустические характеристики ГГ. Номинальный эффективный рабочий диапазон частот ГГ (за исключением ГГ для выносных АС) ограничивается суммарной неравномерностью АЧХ, не превосходящей обычно 14 дБ. Кроме того, для оценки нелинейных искажений в ГГ применяется полный коэффициент гармонических искажений в отличие от полного характеристического коэффициента гармонических искажений для АС на заданной частоте. Полный коэффициент гармонических искажений

0

Полный коэффициент гармонических искажений измеряется по схеме при подведении к ГГ рабочей мощности — электрической мощности, соответствующей среднему номинальному Звуковому давлению, нормируемому для ГГ в зависимости от назначения. При этом под номинальным средним звуковым давлением следует понимать установленное в технических условиях на ГГ среднее звуковое давление в заданном диапазоне частот, приведенное к расстоянию 1 м от ГГ.

0

Схема измерений полного коэффициента гармонических искажений:

  1. генератор;
  2. усилитель мощности;
  3. электронный вольтметр;
  4. микрофонный усилитель;
  5. измеритель нелинейных искажений;

  • ВА —контролируемый громкоговоритель;
  • ВМ — измерительный микрофон.

Измерения электроакустических параметров ГГ, как и АС, проводят в звукомерной заглушенной камере, при этом ГГ устанавливается обычно в акустическом оформлении, в. котором она предназначена работать. Допускается также проводить измерения в стандартном акустическом экране либо испытательном ящике. Способ установки ГГ, при котором проводятся конкретные измерения, указывается в технических условиях.

Как электродинамический преобразователь, ГГ характеризуется рядом электромеханических параметров, обычно называемых в литературе параметрами Тиля — Смолла. Эта система параметров позволяет проанализировать работу ГГ в АС различного типа (закрытых, открытых, с фазоинвертором и др.), а также по заданным электроакустическим и массогабаритным характеристикам АС выбрать соответствующую ГГ. К группе параметров Тиля — Смолла относятся: активное сопротивление звуковой катушки ГГ R0 (обычно измеряемое омметром), минимальное значение модуля полного электрического сопротивления ГГ |z|min, частота основного резонанса ГГ /о, электрическая Q3, механическая QM И полная Qa добротности ГГ, эквивалентный объем ГГ Уэк, коэффициент электромеханической связи В1, полная масса М подвижной системы ГГ (с учетом присоединенной массы воздуха), гибкость С элементов подвижной системы ГГ, акустическое сопротивление потерь R подвижной системы ГГ, коэффициент полезного действия η0 и др.

Исходной для определения параметров Тиля-Смолла ГГ является частотная характеристика модуля полного электрического сопротивления.

Сопротивление резистора Ri должно быть не более 0,05 предполагаемого минимального значения модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя в заданном диапазоне частот. Частотную зависимость уровня напряжения на резисторе R1 измеряют при включенном громкоговорителе. Затем переключателем S включают резистор R2, значение сопротивления которого должно быть определено с погрешностью не более 1 % и находиться в пределах от минимально допустимого значения модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя до номинального электрического сопротивления громкоговорителя. На том же бланке регистрируют частотную зависимость уровня напряжения на резисторе R1 при включенном резисторе R2.

Модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя, Ом, иа фиксированной частоте определяют по формуле

2

где NR2— уровень напряжения на резисторе R1 при включенном резисторе R2, дБ; Nrr — уровень напряжения на резисторе при включенной ГГ, дБ; R2 — сопротивление резистора Ом.

3

Частотная характеристика модуля полного электрического сопротивления: a) схема измерений; б) типичная форма характеристики:

  1. генератор;
  2. усилитель мощности;
  3. электронный вольтметр;
  4. регистрирующее устройство;
  • R1, R2 — резисторы;
  • ВА — контролируемый громкоговоритель
  • S — переключатель.

Под частотой основного резонанса ГГ понимается частота возбуждающего синусоидального сигнала, при которой значение модуля полного электрического сопротивления ГГ имеет свой первый максимум (при возрастании частоты). Частоту основного резонанса ГГ измеряют без акустического оформления в любом помещении

4

Схема Измерений частоты основного резонанса: а) по модулю полного электрического сопротивления; б) фазовый метод измерений:

  1. генератор;
  2. усилитель мощности;
  3. электронный вольтметр;
  4. измеритель разности фаз;
  5. электронный вольтметр.
  • R1, R2 — резисторы;
  • ВА — контролируемая головка громкоговорители;
  • S — переключатель.

Медленно повышая частоту генератора, определяют то ее значение, при котором электронный вольтметр показывает первый по частоте минимум напряжения. Данная частота является частотой основного резонанса Г.Г.

Частота основного резонанса ГГ с существенно задемпфированной подвижной системой может быть определена по схеме, в которой сопротивление R1 должно быть не менее, чем в 20 раз меньше предполагаемого значения модуля полного электрического сопротивления Г.Г в заданном диапазоне частот. При медленном повышении частоты по частотомеру определяют то же значение, при котором измеритель разности фаз показывает первое нулевое значение. Это значение частоты и является частотой основного резонанса ГГ.

Под добротностью ГГ понимают меру затухания свободных колебаний подвижной системы ГГ, определяемую отношением реактивной составляющей механического сопротивления подвижной системы ГГ на частоте основного резонанса к активной составляющей. Различают механическую Ом, электрическую н полную добротность Г.Г. Механическая добротность ГГ определяется потерями в механических элементах подвижной системы ГГ, а также потерями на излучение, электрическая добротность ГГ — наличием тока противоЗДС в электрической цепи ГГ в режиме короткого замыкания. Под полной добротностью ГГ понимают добротность, обусловленную суммарным влиянием механических потерь и тока противоЭДС в электрической цепи головки. Согласно добротности ГГ могут быть определены по формулам:

5

где частоты f1, и f2 подлежат измерению. Схема измерений в которой сопротивление резистора R1, должно не менее, чем в 20 раз, превышать модуль ПОЛНОГО электрического сопротивления |2| max ГГ на частоте основного резонанса fо. При включенной ГГ плавно повышают частоту гене¬ратора до первого максимального показания вольтметра. Затем ГГ заменяю! магазином сопротивлений и на частоте fo изменением его сопротивления дости¬гают повторения максимального показания вольтметра, определяя таким обра¬зом значение |z|max. Затем снова подключают ГГ и, изменяя частоту генера¬тора, определяют частоты f, и f2, удовлетворяющие условию fi<fo<fz, при которых напряжения на ГГ равны U1,2=Umax*√R0/|z|max

6

Схема измерения для определения добротности головки громкоговорителя:

  1. генератор;
  2. усилитель мощности;
  3. электронные вольтметры;
  4. электронно-счетный частотомер.
  • R1 — резистор;
  • R — магазин сопротивлений;
  • S — переключатель;
  • ВА — контролируемая головка громкоговорителя.

7

Схема измерения в рабочем зазоре магнитной цепи:

  1. магнитная цепь;
  2. измерительная катушка;
  3. милливеберметр

Под эквивалентным объемом ГГ Vэк понимают закрытый объем воздуха, имеющий гибкость иа площади излучающего отверстия громкоговорителя, равную гибкости подвижной системы ГГ. Эквивалентный объем ГГ определяют по формуле

где Vя fооя — объем испытательного ящика и резонансная частота ГГ в этом ящике соответственно.

При этом резонансную частоту ГГ без акустического оформления и в оформлении (с объемом Vя) измеряют одним и тем же способом. Испытательный ящик должен быть закрытым и иметь твердые гладкие стенки. Объем испытательного ящика должен быть таким, чтобы частота основного резонанса головки громкоговорителя, установленной в закрытый ящик, повысилась в 1,2— 1.8 раза относительно основного резонанса ГГ без акустического оформления. При изменениях должна быть обеспечена герметичность замыкаемого головкой объема.

Важной характеристикой ГГ является коэффициент электромеханической связи В1, определяемый как произведение индукции магнитного поля В по длине намотки звуковой катушки ГГ на длину проводника l звуковой катушки ГГ. Данный коэффициент характеризует эффективность электромеханического преобразования энергии электродинамической системы ГГ и может быть определен по электрическим входным характеристикам (резонансной частоте, добротности и др.) ГГ или приближенно оценен по измеренному среднему значению индукции в рабочем зазоре магнитной цепи и длине проводника звуковой катушки ГГ.

8

Измерений индукции магнитного потока в рабочем зазоре ГГ проводится с помощью дифференциальной измерительной катушки 2, имеющей две секции витков (по n витков в каждой секции). Высота катушки выбирается равной высоте рабочего зазора магнитной цепи 1. Концы дифференциальной измерительной катушки присоединяются к милливеберметру 3. При измерении катушку погру¬жают в зазор магнитной цепи, снимая при этом отсчет, по шкале милливеберметра. При быстром извлечении измерительной катушки из зазора, в ней наводится ЭДС, которая регистрируется по отклонению стрелки милливеберметра. При измерениях, проводимых таким образом, индукция, Тл,

9

где ∆ —разность отсчетов по шкале милливеберметра, дел.; S—площадь боко¬вой поверхности измерительной катушки, м2; n—число витков в секции; Сn = 10—4 Вб/дел. — постоянная прибора.

По полученным выше данным можно рассчитать остальные параметры ГГ: гибкость, полную массу, акустическое сопротивление потерь подвижной системы и коэффициент полезного действия ГГ. В частности, для ГГ, используемых в закрытой АС, эти параметры определяются по формулам:

10

где ρ0=1,2 кг/м3—плотность воздуха, с≈343 м/с — скорость звука в воздухе, SD=pi*d2эф—эффективная площадь излучения ГГ, dэфф≈0,8D — диаметр ГГ. Для ГГ, используемых в АС других типов, следует пользоваться соотношениями.

Важным параметром при расчете характеристик АС является эффективный диаметр ГГ. По определению под эффективным диаметром ГГ следует понимать диаметр круглого экрана с точечным дипольным излучателем в центре, при котором разность хода звуковых колебаний от передней и задней сторон излучателя на рабочей оси такая же, как у данной ГГ. Эффективный диаметр ГГ более точно определяется на частоте, в 1,5—2 раза превышающей частоту основного резонанса ГГ по формуле

11

где N1 — уровень звукового давления, дБ, измеренный для ГГ без оформления, N2—уровень звукового давления, дБ, измеренный для ГГ в круглом экране диаметра d.

При монтаже ГГ в многополосных АС для избежания возможных провалов в АЧХ АС по звуковому давлению вследствие возможного включения головок громкоговорителей в противофазе, у последних определяют (маркируют) полярность. Полярность ГГ, по определению, представляет собой определенную полярность электрического напряжения на выводах ГГ, вызывающего движение подвижной системы головки в направлении преимущественного излучения.

При определении полярности ГГ используют следующие методы: выводы ГГ подключают к источнику постоянного тока так, чтобы положительный вывод (обозначенный знаком «+») соединялся с положительным полюсом источника тока. При правильной маркировке выводов подвижная система ГГ должна смещаться в направлении преимущественного излучения звука. При применении другого метода выводы ГГ подключают к гальванометру так, чтобы положительный вывод ГГ (обозначенный знаком «+») соединялся с отрицательным выводом гальванометра. Смещая подвижную систему ГГ в направлении, обратном направлению преимущественного излучения, наблюдают смещение стрелки гальванометра. При правильной маркировке полярности ГГ стрелка гальванометра должна отклоняться в ту же сторону, в которую она отклоняется при подключении выводов гальванометра к одноименным выводам источника постоянного тока.

Важным требованием, предъявляемым к ГГ, является отсутствие их дребезжания, обусловленного нелинейными искажениями, возникающими при возбуждении синусоидальным сигналом ГГ, имеющей механические дефекты, и воспринимаемыми как неприятный звук. Низкочастотные и широкополосные ГГ не должны дребезжать при максимальной синусоидальной мощности в полосе частот от минимального значения частоты основного резонанса, установленного в технических условиях, до верхней частоты эффективного рабочего диапазона частот. Среднечастотные и высокочастотные ГГ не должны дребезжать при максимальной синусоидальной мощности в эффективном рабочем диапазоне частот.

В большинстве случаев контроль отсутствия дребезжания ГГ проводят по схеме методом прослушивания. Прослушивание проводят по оси ГГ на расстоянии не менее 0,5 м. Изменяя частоту синусоидального сигнала возбуждения, прослушивают излучаемый ГГ сигнал и определяют наличие дребезжания, субъективно по классификационным признакам. Результатом контроля является установление факта наличия или отсутствия дребезжания.

12

Схема контроля отсутствия дребезжания громкоговорителя методом прослушивания:

  1. генератор;
  2. усилитель мощности;
  3. электронный вольтметр.
  • ВА — контролируемый громкоговоритель

В последнее время получили развитие объективные методы контроля дребезжания ГГ, например, по коэффициенту дребезжания, нормируемому в технических условиях на ГГ. На частоте коэффициент дребезжания, %,

14

Схема измерения коэффициента дребезжания громкоговорителя:

  1. генератор;
  2. усилитель мощности;
  3. электронный вольтметр;
  4. микрофонный усилитель;
  5. фильтр высоких частот;
  6. универсальный осциллограф;
  • ВМ — микрофон для измерения дребезжания;
  • ВА — контролируемый громкоговоритель;
  • S - переключатель.

11

где Uf, Uд — двойное амплитудное значение (размах) входного сигнала и сигнала дребезжания на входе и выходе фильтра высоких частот ФВЧ, дБ, соответственно kф—модуль коэффициента передачи фильтра, определенного на частоте 2frp

Головки громкоговорителей, применяемые для бытовой электроакустической аппаратуры, должны удовлетворять требованиям по механико-климатическим воздействиям в зависимости от группы их эксплуатации. В соответствии с различают две группы эксплуатации ГГ. К первой группе относятся головки, применяемые в бытовой радиоаппаратуре, предназначенной для работы в жилых помещениях, ко второй — для работы в автомобилях и на открытом воздухе.

Интервал частоты возбуждения ГГ, Гц Граничная частота фильтра ВЧ fгр; кГц
20...530 5
63...1000 8
630...2500 16

15

Форма сигналов на входе и выходе фильтра высоких частот: а); б) входной сигнал; в); г) сигнал искажений Т/2 — полупериод возбуждающего сигнала, т — длительность переходного процесса сигна¬ла искажений до значения 0,33; Uд, Uс — размах сигнала искажений в установившемся режиме, Uf — размах сигнала на частоте возбуждения громкоговорителя на входе фильтра высоких частот

Испытания головок на механические и климатические воздействия проводят на испытательном оборудовании (ударные стенды, вибростенды, камеры тепла, холода и влажности), обеспечивающем требуемые воздействия и в последовательности.

Воздействующий фактор Норма по группам эксплуатации
Первая Вторая
Ударная прочность и прочность при транспортировании:
ускорение, м*с-2 147(15) 147(15)
длительность ударного импульса, м*с 5...20 5...20
частота ударов в минуту 40...80 40...80
число ударов 5000 5000
Внбропрочность:
амплитуда, мм / частота, Гц - (1,25 0,56 0,31 0,2 0,14)/(20 30 40 50 60)
продолжительность, ч - 2
Теплоустойчивость:
рабочая температура, °С 40±2 50±2
продолжительность при рабочей температуре, ч 4 4
предельная температура, °С 50±2 60±2
продолжительность при предельной температуре, ч 2 2
выдержка в нормальных климатических условиях, ч 6 6
Холодоустойчивость:
рабочая температура, СС - —20±2
продолжительность прн рабочей температуре, ч 4
предельная температура, °С —40±2 —40±2
продолжительность при предельной температуре, ч 4 2
выдержка в нормальных климатических условиях, ч 12 6
Влагоустойчивость:
относительная влажность, % 93±3 93±3
температура, °С 25±2 30±2
продолжительность, ч 48 48

При испытаниях на прочность к механическим воздействиям Г.Г жестко крепят к столу стенда в положении, указанном в технических условиях. При климатических испытаниях в камерах тепла и холода скорость измерения температуры должна быть не более 3 °С/мин.

Перед испытаниями и после испытаний ГГ на каждый вид механического и климатического воздействия проводят внешний осмотр и проверку ГГ на отсутствие дребезжания. На соответствие остальным требованиям технических условий (чувствительность, неравномерность, коэффициент гармонических искажений и др.) ГГ следует проверять после всех видов климатических воздействий.

Надежность Г.Г оценивается по средней наработке до отказа Tер, которая согласно должна быть не менее 26000 ч. Испытания на надежность проводятся методом электропрогона выборки головок в количестве 20...50 шт. в зависимости от их мощности. При этом средняя наработка до отказа ГГ по результатам испытаний определяется по формуле

Тср = Nиtи/nr

где Nи—общее число головок на испытании, шт.; nr — число отказавших головок, шт.; tu — продолжительность испытаний, ч.

В процессе испытаний к ГГ подаодится напряжение

Uисп = Pcp*√Rн/Sx

где Рстр — номинальное среднее звуковое давление, задаваемое на головку в технических условиях, Па; Sx — характеристическая чувствительность ГГ, Rн — номинальное сопротивление Г.Г, Ом.

Головки громкоговорителей считаются выдержавшими испытания, если значение Тср, полученное в результате испытаний, больше или равно значению, указанному в технических условиях на ГГ.