Мотор динамика глазами схемотехника

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

Мотор!

«У сердца тоже есть желудочек…»

..а у динамика тоже есть мотор. Причем по всем принятым канонам «мотор» динамика — магнитная система и звуковая катушка, соответствуют определению «электрическая машина постоянного тока«, хотя, как нам всем хорошо известно, постоянным током там и не пахнет.
Просто машиной постоянного тока считается такая, где постоянное магнитное поле напрямую воздействует на проводнок с током (то есть звуковую катушку) безо всяких там вращающихся магнитных полей и прочего, что порождает мотор переменного тока.
От обычного двигателя постоянного тока «мотор» динамика отличается тем, что, во-первых, вытянут в линию и создает прямолинейное движение, а не вращательное (кроме одного-единственного динамика в мире — Феникс-Голдовского Циклона), и не имеет коллектора — за ненадобностью (здесь исключений, к счастью, нет).
Основа привода динамика осталась практически без принципиальных изменений со времен выдачи первого патента в 1925 г. Пять основных частей привода неизменны и незыблемы, как схема разделки мясной туши: магнит, полюсный наконечник, передний и задний магнитопроводы и звуковая катушка. Задача первых четырех элементов — создать по возможности мощное магнитное поле и сконцентрировать его в зазоре между полюсным наконечником и верхним магнитопроводом. А «пятый элемент» — звуковая катушка, обязан в этом поле двигаться при протекании по обмотке тока. Все вроде бы просто. Однако подробностей за эти годы выяснилось немало.
Самая консервативная часть привода — материал магнитопроводов. Ничего, кроме магнитомягких материалов, а проще говоря — отожженной малоуглеродистой стали, почти чистого железа, здесь не применяется. С материалами для магнитов колдовали долго, вначале перепробовав разнообразные литые магниты из специальных сплавов, а затем, с разработкой ферритовых композиций, вопрос практически закрылся. Металлические магниты теперь применяются практически исключительно в пищалках, где масса магнита мала и можно использовать значительно более эффективные редкоземельные сплавы — почти всегда на основе неодима. Крупных магнитов из неодимовых сплавов не делают лишь потому, что элемент этот в самом деле редкий, и большая часть выпуска идет, как это ни обидно для нас, на изготовление прецизионных электроприводов и микродвигателей. Момент истины в проектировании привода- как обеспечить эффективное взаимодействие магнитного поля и звуковой катушки, которая в него погружена. Геометрия и пропорции рабочего зазора магнитной системы и звуковой катушки — необъятный простор противоречий и компромисов, еще более запутанных, нежели в «Деле о диффузорах».
Основной параметр, определяющий результаты этого взаимодействия — так называетмый силовой фактор B x L , часто (почти всегда) приводимый в технических характеристиках породистых динамиков. Силовой фактор — произведение индукции в зазоре на длину провода звуковой катушки, находящуюся в пределах этого зазора. Чем больше силовой фактор, тем более контролируемым становится движение диффузора и тем больше его электрическое демпфирование. Ясно, что чем массивнее магнит, тем силовой фактор будет больше, поскольку будет больше индукция. Но последняя величина зависит также и от размеров зазора: чем шире кольцевая щель в магнитной системе, чем она большего диаметра и чем она глубже (чем толще верхний магнитопровод), тем меньше будет индукция в зазоре, поскольку магнитное поле окажется «размазанным» в пространстве.
Сделать зазор узким, маленьким и неглубоким — и негде будет поместить звуковую катушку, намотанную достаточно толстым проводом. Уменьшить сечение провода — возрастет сопротивление и упадет отдача. И так далее. А если принять во внимание, что диаметр звуковой катушки небезразличен и для поведения диффузора, ситуация еще усложняется.
Существует два основных типа геометрии звуковой катушки в зазоре: короткая катушка ( underhung voice coil) и длинная катушка ( overhung voice coil)
Длинной звуковая катушка по длине существенно превышает глубину зазора в магнитной системе и в каждый момент «работает» только часть витков, находящаяся в пределах его глубины. Эта часть, а, следовательно, длина пповода, находящаяся в зазоре, будет оставаться неизменной пока внутрь зазора не войдет край катушки. Динамик считается работающим в линейном диапазоне перемещений диффузора, именно до этого момента. То, насколько катушка длиннее зазора и будет определять максимальный линейный ход диффузора — знаменитый X max. Но, поскольу только те витки, что попали «в поле» реально работают, плотность намотки стараются сделать наибольшей и именно за этим придумали в свое время ленточную намотку плоским проводом, уложенным на ребро. Сейчас много — (обычно — трех-)слойные катушки, выполненные обычным круглым проводом, мирно уживаются с однослойными ленточными, а высший пилотаж в смысле плотности намотки показала датская компания Dynaudio , которая использует провод шестиугольного сечения, полностью заполняющий медью сечение обмотки. В результате, правда, каждую звуковую катушку наматывают вручную в течение 30 минут (по норме), что потом соответственно отражается в цене готовой продукции.
Привод с длинной звуковой катушкой применяется в подавляющем большинстве низкочастотных динамиков и любим производителями за возможность получить большую индукцию в коротком зазоре, сделать звуковую катушку большой и хорошо охлаждаемой, получить большой ход дифузора.
Короткая катушка в пределах линейного диапазона находится полностью внутри магнитного зазора. Сам зазор при этом приходится делать длиннее, а катушку — короче, поэтому типичные значения силового фактора B x L у таких динамиков — меньше. Казалось бы, при таких делах можно эту конструкцию и похоронить, но именно она обеспечивает наименьшие искажения при больших ходах диффузора.
Типичная картина изменения силового фактора со смещением звуковой катушки для двух типов привода выглядит следующим образом:

У длинной звуковой катушки поведение в пределах линейной области пристойное, а за его пределами — значение силового фактора (а, значит, вносимые искажения) меняется довольно плавно. При выходе короткой катушки из зазора искажения нарастают быстро, зато пока этого не случилось, линейность — идеальная. Так что, если в материалах по динамику с гордостью сообщается, что у него — underhung voice coil — для гордости есть причины, посокльку потенциально этот динамик обеспечит наименьшие искажения при умеренных подводимых мощностях.
В качестве ориентира, основанного на лабораторных испытаниях большого числа динамиков, можно считать, что для динамиков с короткой звуковой катушкой допустимое смещение диффузора совпадает с указанным (определенным геометрически по длине зазора и катушки) а при длинной — составляет примерно X max + 15% . При такой амплитуде искажения, вызванные изменением B x L составят примерно 3%, в основном — на третьей гармонике .

Здесь есть одна тонкость: различные сочетания длины звуковой катушки и глубины зазора определяют разное поведение динамика на границе его линейного диапазона (и за ней). Возьмем два динамика — у одного глубина зазора (толщина верхней плиты магнитной системы 8 мм, а длина звуковой катушки — 12 мм. У другого — 4 мм и 8 мм соответственно. Максимальный рабочий ход диффузора у обоих будет одинаковым — 2 мм ( 12-8)/2 = (8-4)/2 = 2.

Однако у первого, с большим отношением глубины зазора к X max за пределами линейного диапазона, нелинейность будет нарастать относительно плавно, а второй = захрипит уже при незначительном превышении X max. Так что есть прямой смысл смотреть не только на величину X max из документации, но и на толщину переднего магнитопровода на самом динамике — чем больше, тем лучше.

Другой источник искажений, определяемых конструкцией привода — его ассиметрия. В идеальном случае сила, действующая на звуковую катушку при движении в одну и другую сторону, то есть внутрь магнитной системы и наружу, должны быть одинаковы по величине. Не будет этого — искажения сигнала неизбежны. Для этого магнитное поле, создаваемое в зазоре, должно быть максимально симметричным. Так бы оно и случилось, без особых ухищрений, если бы все магнитное поле оказывалось в зазоре. На деле этого не происходит и силовые линии поля «выплескиваются» из зазора и образуют поле рассеяния. Но, поскольку выше зазора — воздух, а ниже — сталь полюсного наконечника, рассеяние происходит существенно несимметрично.

Чтобы как-то навести симметирию, некоторые фирмы применяют более сложную геометрию рабочего зазора магнитной системы. Некоторые, например, просто удлинняют полюсный наконечник ( Kicker , например, очень это любит.)

В результате магнитная обстановка сверху и снизу существенно выравнивается, но дается это в результате увеличения общего рассеяния — силовые линии «лезут» вверх по стволу удлинненного полюсного наконечника, а место им — в зазоре, все остальное — нежелательные побочные поля. Для компенсации возросшего рассеяния приходится ставить более мощные магниты.

Другие фирмы идут «от противного» и уменьшают рассеяние ниже магнитопровода, для чего полюсный наконечник делается ступенчатым.

Более «тощий» ствол замыкает на себя меньше силовых линий и они поневоле скапливаются в зазоре, но (без но нигде не обходится) возрастает общее магнитное сопротивление системы и падает индукция в зазоре. Вообще, магнитное сопротивление стараются сделать возможно меньшим, для этого часто полюсный наконечник выполняют заодно с нижним магнитопроводом, чтобы не было лишнего стыка, хотя это намного хлопотнее, чем сделать их по отдельности и соединить при сборке. Еще одно, довольно эфективное, но не очень распространенное решение — полюсный наконечник с выемкой, можно найти в довольно пафосных марках динамиков. Здесь, помимо усложнения технологии, возрастает чувствительность к разбросу характеристик магнита, поэтому менее притязательные изготовители головок на такое решение идут неохотно.

Особняком стоят радикальные решения — вывернутые «наизнанку» магнитные системы, у которых магнит — внутри звуковой катушки, а все, что вокруг — магнитопровод, замыкающий магнитную цепь.

Такое до сих пор удалось только трем фирмам — Phase Linear в их сабвуферах с сотовыми поршнями, Dynaudio и Morel , больше известным по автомобильной серии Macrom. Такие «обращенные» магнитные системы сделаны главным образом для того, чтобы улучшить линейность работы диффузора, а с точки зрения их функционирования как «мотора» — сплошная головная боль для разработчиков — оттого они и редки.

Привод динамика, как любая машина постоянного тока — обратим, то есть одновременно работает и как своего рода трансформатор. При движении звуковой катушки в мощном магнитном поле в ней наводится ЭДС и протекает ток, поскольку катушка закорочена практически нулевым выходным сопротивлением усилителя. Этот ток приводит к модуляции магнитного поля в зазоре, а поскольку звуковая катушка то «надета» на полюсный наконечник, то вылезает наружу, характер этой модуляции тоже ассиметричен и приводит к дополнительным искажениям. Для снижения этих нежелательных эффектов необходимо сделать так, чтобы, оставаясь эффективным двигателем, привод динамика перестал быть эффективным трансформатором . Известно, что злейший враг трансформатора — короткозамкнутые витки. Вот их-то и поставили на службу обществу в усовершенствованных магнитных системах.

Чаще всего такие короткозамкнутые витки делаются в виде покрытия медью (электролитическим способом) верхнего торца полюсного наконечника,

установки медного же (реже — алюминиевого) наконечника …

…или с помощью так называемого «стабилизатора магнитного потока» — проводящего кольца, установленного у основания полюсного наконечника.

Побочным (позитивным) эффектом от короткозамкнутых витков в различных вариантах является уменьшение индуктивности звуковой катушки, из-за влияния которой с повышением частоты растет импеданс НЧ головок, и приходится принимать меры по его стабилизации, иначе будет «врать» разделительный фильтр. Поэтому косвенно о наличии описанных устройств в конструкции динамика можно судить по величине индуктивности звуковой катушки (опять же, приводимой ответственными производителями). Если величина этой индуктивности и 5 — 6 дюймового мидбаса не превышает 0,3 — 0.4 мГн, а у сабвуферов 10 — 12 дюймов — 0,6 — 1,0 мГн, можно дать голову на отсечение, что создатели динамика позаботились о стабилизации потока, за что им можно быть только признательными.