RU2400017C1

RU2400017C1 - Electroacoustic converter

Info

Publication number: RU2400017C1
Application number: RU2009133109/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Васильев (RU); Андрей Викторович Васильев
Original assignee: Андрей Викторович Васильев
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2010-09-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: electroacoustic converter comprises central core and upper circular flange, between which there are permanent circular magnets and circular pole tips, circular non-magnet gasket, sound coil installed in working gap coaxially and symmetrically to circular non-magnet gasket, and sound radiator. Peculiar features are availability of at least two ferromagnetic rings installed on outer and inner side of coil, and mechanical connection of sound radiator with one of ferromagnetic rings.

EFFECT: increased efficiency and reduced non-linear distortions.

9 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электроакустике, в частности к конструкциям электроакустических преобразователей электродинамических громкоговорителей.The invention relates to electroacoustics, in particular to the designs of electro-acoustic transducers of electrodynamic speakers.

Известен акустический преобразователь [1], содержащий магнитную цепь с зазором, звуковую катушку, размещенную в магнитном зазоре и соединенную с мембраной, излучающая поверхность которой находится в предрупорной камере, переходящей в рупор, при этом излучатель снабжен перегородкой, образующей компрессионную камеру, которая может быть открытой или закрытой.Known acoustic transducer [1], containing a magnetic circuit with a gap, a voice coil located in the magnetic gap and connected to the membrane, the emitting surface of which is located in the pre-chamber chamber, turning into a horn, while the emitter is equipped with a partition forming a compression chamber, which can be open or closed.

Однако существенным недостатком указанного преобразователя является низкий коэффициент полезного действия (КПД), а также нелинейные искажения. Это обусловлено тем, что акустический преобразователь имеет акустическую камеру, поглощающую значительную часть акустической энергии, а также является резонатором, ограничивающим частотный диапазон и вносящим нелинейные искажения.However, a significant disadvantage of this Converter is a low coefficient of performance (COP), as well as non-linear distortion. This is due to the fact that the acoustic transducer has an acoustic chamber that absorbs a significant part of the acoustic energy, and is also a resonator that limits the frequency range and introduces nonlinear distortion.

Известен электроакустический преобразователь [2], в котором магнитная система содержит верхний кольцевой и нижний фланцы, центральный керн с дополнительными вентиляционными отверстиями, выполненный из магнитомягкого материала, четыре постоянных аксиально намагниченных кольцевых магнита, размещенных разноименными полюсами навстречу друг другу, между кольцевыми магнитами расположены два кольцевых полюсных наконечника, между которыми находится кольцевая немагнитная прокладка.Known electro-acoustic transducer [2], in which the magnetic system contains an upper annular and lower flanges, a central core with additional ventilation holes made of soft magnetic material, four permanent axially magnetized annular magnets placed opposite by poles opposite each other, two annular magnets are located between the annular magnets pole pieces, between which there is an annular non-magnetic gasket.

Однако данное устройство также имеет невысокий коэффициент полезного действия и существенные нелинейные искажения, вызванные неоднородностью магнитного потока.However, this device also has a low efficiency and significant non-linear distortion caused by the inhomogeneity of the magnetic flux.

Наиболее близким к заявляемому является электроакустический преобразователь [3], содержащий центральный керн, два постоянных аксиально намагниченных кольцевых магнита, размещенных между верхним и нижним кольцевыми фланцами и направленных друг к другу одноименными полюсами, между которыми расположена кольцевая магнитная многослойная прокладка и звуковая катушка, механически соединенная с мембраной, установленная в рабочем зазоре соосно и симметрично кольцевой магнитной многослойной прокладке.Closest to the claimed one is an electro-acoustic transducer [3], containing a central core, two permanent axially magnetized ring magnets placed between the upper and lower ring flanges and directed to each other by the same poles, between which there is a ring magnetic multilayer gasket and a voice coil, mechanically connected with a membrane installed in the working gap coaxially and symmetrically to an annular magnetic multilayer gasket.

Указанное устройство также не лишено недостатков вышеперечисленных аналогов, таких как невысокий коэффициент полезного действия и нелинейные искажения преобразователя, вызванные неоднородностью магнитного потока.The specified device is also not without disadvantages of the above analogues, such as a low efficiency and non-linear distortion of the Converter caused by the inhomogeneity of the magnetic flux.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электроакустического преобразователя электродинамического громкоговорителя, позволяющего добиться более эффективного использования магнитного потока в зазоре и равномерного распределения магнитного потока в области звуковой катушки при различных значениях смещения звуковой катушки.The main task to be solved by the claimed invention is directed is the creation of an electro-acoustic transducer of an electrodynamic loudspeaker, which makes it possible to achieve more efficient use of the magnetic flux in the gap and uniform distribution of the magnetic flux in the region of the voice coil for various values of the displacement of the voice coil.

Технический результат - повышение КПД электроакустического преобразователя и уменьшение нелинейных искажений.The technical result is an increase in the efficiency of the electro-acoustic transducer and a decrease in non-linear distortions.

Указанная задача решается тем, что в электроакустический преобразователь, содержащий центральный керн и верхний кольцевой фланец, между которыми размещены постоянные кольцевые магниты, кольцевые полюсные наконечники, кольцевую немагнитную прокладку, звуковую катушку, установленную в рабочем зазоре соосно и симметрично кольцевой немагнитной прокладке, и звуковой излучатель, введены, по меньшей мере, два ферромагнитных кольца, установленные с внешней и внутренней стороны звуковой катушки, а звуковой излучатель механически соединен с одним из ферромагнитных колец.This problem is solved in that in an electro-acoustic transducer containing a central core and an upper annular flange, between which there are permanent annular magnets, annular pole lugs, an annular non-magnetic gasket, a voice coil installed coaxially and symmetrically in a ring non-magnetic gasket, and a sound emitter , introduced at least two ferromagnetic rings mounted on the outer and inner sides of the voice coil, and the sound emitter is mechanically connected to day of ferromagnetic rings.

Оптимально выполнить ферромагнитные кольца с добавлением алюминиевой мелкодисперсной крошки.It is optimal to perform ferromagnetic rings with the addition of aluminum finely divided chips.

Ферромагнитные кольца также могут быть выполнены из ферромагнитного материала, алюминиевой мелкодисперсной крошки и компаунда.Ferromagnetic rings can also be made of ferromagnetic material, aluminum finely divided chips and compound.

Предпочтительно выполнить ферромагнитные кольца содержащими на сторонах, обращенных к внутренней и наружной сторонам звуковой катушки, слой магнитодиэлектрика.It is preferable to perform ferromagnetic rings containing on the sides facing the inner and outer sides of the voice coil, a magnetodielectric layer.

Целесообразно, чтобы слой магнитодиэлектрика на ферромагнитных кольцах составлял в объеме 5-30% от объема ферромагнитного материала кольца.It is advisable that the magnetodielectric layer on the ferromagnetic rings is 5-30% of the volume of the ferromagnetic material of the ring.

Предпочтительно выполнить центральную кольцевую немагнитную прокладку из диамагнитного или парамагнитного материала.It is preferable to perform a central annular non-magnetic gasket of diamagnetic or paramagnetic material.

Оптимально выполнить кольцевые полюсные наконечники из магнитомягкого материала.It is optimal to make annular pole pieces of soft magnetic material.

Целесообразно выполнить центральный керн с вентиляционными отверстиями.It is advisable to perform a central core with ventilation holes.

В предпочтительном варианте звуковой излучатель выполнен в виде диффузора конической формы.In a preferred embodiment, the sound emitter is made in the form of a conical cone.

Введение ферромагнитных колец, установленных с внешней и внутренней сторон звуковой катушки, и механическое соединение звукового излучателя с одним из ферромагнитных колец приводит к уменьшению магнитного сопротивления в рабочем зазоре и отведению тепла от звуковой катушки, что позволяет повысить КПД электроакустического преобразователя и уменьшить нелинейные искажения.The introduction of ferromagnetic rings mounted on the external and internal sides of the voice coil, and the mechanical connection of the sound emitter with one of the ferromagnetic rings leads to a decrease in magnetic resistance in the working gap and heat removal from the voice coil, which allows to increase the efficiency of the electro-acoustic transducer and reduce non-linear distortions.

При нанесении слоя магнитодиэлектрика на ферромагнитные кольца возникает дополнительное отведение тепла от звуковой катушки и снижение нелинейных искажений, вызываемых ее перегревом. При этом происходит повышение надежности работы громкоговорителя, поскольку элементы катушки при благоприятном температурном режиме реже выходят из строя.When a magnetodielectric layer is deposited on ferromagnetic rings, additional heat is removed from the voice coil and the nonlinear distortions caused by its overheating are reduced. This increases the reliability of the loudspeaker, since the coil elements under favorable temperature conditions are less likely to fail.

На фиг.1 представлена конструкция электроакустического преобразователя в разрезе.Figure 1 shows the design of the electro-acoustic transducer in section.

На фиг.2 изображена конструкция электроакустического преобразователя с одним кольцевым магнитом.Figure 2 shows the design of an electro-acoustic transducer with one ring magnet.

Электроакустический преобразователь содержит звуковой излучатель 1, верхний кольцевой фланец 2, постоянные кольцевые магниты 6 и 7, между которыми расположены кольцевые полюсные наконечники 3 и 5, выполненные из магнитомягкого материала, кольцевую немагнитную прокладку 4, выполненную из диамагнитного или парамагнитного материала, центральный керн 8, звуковую катушку 9, расположенную между ферромагнитными кольцами 10 и 11, установленными с внешней и внутренней стороны звуковой катушки 9, с одним из которых механически соединен звуковой излучатель 1. Звуковой излучатель 1 выполнен в виде диффузора, имеющего коническую форму.The electro-acoustic transducer contains a sound emitter 1, an upper annular flange 2, permanent ring magnets 6 and 7, between which are located annular pole lugs 3 and 5, made of soft magnetic material, an annular non-magnetic gasket 4, made of diamagnetic or paramagnetic material, a central core 8, a voice coil 9 located between the ferromagnetic rings 10 and 11 mounted on the outer and inner sides of the voice coil 9, one of which is mechanically connected to the sound radiation Tel 1. Sound radiator 1 is designed as a diffuser having a conical shape.

Ферромагнитные кольца 10, 11 выполнены из ферромагнитного материала, например из металлокерамики, и алюминиевой мелкодисперсной крошки. Кроме того, материал ферромагнитных колец может содержать компаунд, например эпоксидную смолу, добавление которого позволяет обеспечить более плотное прилегание ферромагнитных колец 10, 11 к звуковой катушке 9.The ferromagnetic rings 10, 11 are made of a ferromagnetic material, for example, cermet, and finely divided aluminum. In addition, the material of the ferromagnetic rings may contain a compound, for example an epoxy resin, the addition of which allows for a more snug fit of the ferromagnetic rings 10, 11 to the voice coil 9.

Ферромагнитные кольца 10, 11 содержат на сторонах, обращенных к внутренней и наружной сторонам звуковой катушки 9, слой магнитодиэлектрика (не показан).The ferromagnetic rings 10, 11 comprise, on the sides facing the inner and outer sides of the voice coil 9, a magnetodielectric layer (not shown).

При этом слой магнитодиэлектрика на ферромагнитных кольцах составляет в объеме 5-30% от объема ферромагнитного материала кольца.In this case, the magnetodielectric layer on the ferromagnetic rings amounts to 5-30% of the volume of the ferromagnetic material of the ring.

Центральная кольцевая немагнитная прокладка 4 выполнена из диамагнитного или парамагнитного материала, например из алюминия.The central annular non-magnetic gasket 4 is made of diamagnetic or paramagnetic material, for example aluminum.

Кольцевые полюсные наконечники 3, 5 выполнены из магнитомягкого материала, например стали.The annular pole pieces 3, 5 are made of soft magnetic material, such as steel.

Центральный керн 8 содержит вентиляционные отверстия 12, обеспечивающие дополнительный отвод тепла.The central core 8 contains ventilation holes 12, providing additional heat dissipation.

Электроакустический преобразователь в предпочтительном варианте исполнения работает следующим образом.Electro-acoustic transducer in a preferred embodiment, operates as follows.

Основными причинами возникновения всех видов искажений являются нелинейные колебательные процессы в элементах подвижной системы, в частности в узле «звуковая катушка - магнитная цепь». Уменьшение нелинейных искажений в указанном узле приводит к значительному уменьшению нелинейных искажений в электродинамическом громкоговорителе. В связи с тем что КПД даже современных громкоговорителей не очень высок (примерно 1%), большая часть подводимой мощности рассеивается в виде тепла в звуковых катушках. При этом температура нагрева звуковых катушек может достигать 150-200°C. Столь высокое значение температуры нагрева является причиной разрушения звуковых катушек за счет сползания витков, обгорания каркасов и т.п., что ограничивает воспроизводимый динамический диапазон и приводит к выводу из строя электроакустического преобразователя в громкоговорителе. Кроме того, при высокой температуре нагрева происходит изменение активного сопротивления звуковой катушки в 1,5-2 раза по отношению к номинальному значению. Подобное возрастание активного сопротивления приводит к ухудшению качества звучания громкоговорителя при больших уровнях сигнала за счет рассогласования их параметров с фильтрами, изменения формы амплитудно-частотных характеристик и т.д.The main reasons for the occurrence of all types of distortion are nonlinear oscillatory processes in the elements of the mobile system, in particular in the node "voice coil - magnetic circuit". The reduction of non-linear distortion in the specified node leads to a significant reduction in non-linear distortion in the electrodynamic loudspeaker. Due to the fact that the efficiency of even modern loudspeakers is not very high (about 1%), most of the input power is dissipated in the form of heat in voice coils. In this case, the heating temperature of voice coils can reach 150-200 ° C. Such a high value of the heating temperature causes the destruction of voice coils due to the sliding of coils, burning of frames, etc., which limits the reproducible dynamic range and leads to the failure of the electro-acoustic transducer in the loudspeaker. In addition, at a high heating temperature, a change in the active resistance of the voice coil is 1.5-2 times in relation to the nominal value. Such an increase in active resistance leads to a deterioration in the sound quality of the speaker at high signal levels due to the mismatch of their parameters with filters, changes in the shape of the amplitude-frequency characteristics, etc.

Нелинейные искажения, возникающие в процессе электромеханического преобразования в громкоговорителях, определяются нелинейной зависимостью силы F, которую испытывает катушка с обмоткой, находящаяся в радиальном магнитном поле при пропускании через нее переменного тока.Nonlinear distortions arising in the process of electromechanical conversion in loudspeakers are determined by the nonlinear dependence of the force F experienced by a coil with a winding located in a radial magnetic field when an alternating current is passed through it.

Характер этой зависимости определяется тем, что в силу выявленных в результате измерения значений индукции в магнитной цепи установлено, что она распределена в зазоре неравномерно и несимметрично.The nature of this dependence is determined by the fact that, by virtue of the values of induction revealed in the measurement, the magnetic circuit is found to be uneven and asymmetrical in the gap.

При смещении звуковой катушки 9 вверх или вниз меняется плотность магнитного потока, вследствие чего величина F является нелинейной функцией смещения. При этом звуковая катушка 9 с обмоткой, находящаяся в радиальном магнитном поле, при пропускании через нее переменного тока испытывает действие силы, зависящей от индукции в зазоре, длины провода и величины переменного тока. Эта сила приводит в движение звуковой излучатель 1, механически жестко связанный ферромагнитным кольцом 11, охватывающим внутреннюю сторону звуковой катушки 9. Вследствие этого звуковой излучатель 1, выполненный в виде диффузора конической формы представляет собой поршневой излучатель и имеет одну степень свободы колебаний в осевом направлении. Магнитное поле создается кольцевыми постоянными магнитами 6, 7 и магнитной цепью, состоящей из верхнего фланца 2, центрального керна 8 и полюсных наконечников 3, 5. Между керном 8 и фланцем 2, установленным в средней части электроакустического преобразователя, расположен кольцевой зазор, в котором размещена звуковая катушка 9, охватываемая ферромагнитными кольцами, свободно колеблющаяся в нем. В центральном керне 8 имеются вентиляционные отверстия 12 для отвода тепла. При подаче электрического сигнала в звуковую катушку 9 она колеблется в магнитном поле, создаваемом магнитной системой, состоящей из центрального керна 8, верхнего фланца 2, полюсных наконечников 3, 5, кольцевых постоянных магнитов 6, 7 и немагнитной прокладки 4. При этом колебания катушки 9, которая находится между ферромагнитными кольцами 10 и 11, передаются диффузору 1. Такая конструкция позволяет наиболее оптимально и равномерно распределить магнитный поток в области звуковой катушки и отводить тепло, выделяемое звуковой катушкой.When the voice coil 9 is shifted up or down, the magnetic flux density changes, as a result of which the value F is a nonlinear function of the bias. In this case, the voice coil 9 with a winding located in a radial magnetic field, when an alternating current is passed through it, experiences the action of a force depending on the induction in the gap, the length of the wire and the magnitude of the alternating current. This force drives the sound emitter 1, mechanically rigidly connected by a ferromagnetic ring 11, covering the inner side of the voice coil 9. As a result, the sound emitter 1, made in the form of a conical shape diffuser, is a piston emitter and has one degree of freedom of oscillation in the axial direction. The magnetic field is created by ring permanent magnets 6, 7 and a magnetic circuit consisting of an upper flange 2, a central core 8 and pole pieces 3, 5. Between the core 8 and a flange 2 installed in the middle of the electro-acoustic transducer, there is an annular gap in which is placed a voice coil 9, covered by ferromagnetic rings, oscillating freely in it. In the central core 8 there are ventilation holes 12 for removing heat. When applying an electric signal to the voice coil 9, it oscillates in the magnetic field created by the magnetic system consisting of a central core 8, an upper flange 2, pole pieces 3, 5, ring permanent magnets 6, 7 and a non-magnetic strip 4. In this case, the oscillations of the coil 9 , which is located between the ferromagnetic rings 10 and 11, are transferred to the diffuser 1. This design allows you to most optimally and evenly distribute the magnetic flux in the region of the voice coil and to remove the heat generated by the voice coil.

Электроакустический преобразователь может быть выполнен с одним кольцевым магнитом 6 (фиг.2) и содержать верхний кольцевой фланец 2, центральный керн 8 с дополнительными вентиляционными отверстиями, один кольцевой магнит 7, звуковую катушку 9 с ферромагнитными кольцами 10 и 11 и звуковой излучатель 1.The electro-acoustic transducer can be made with one ring magnet 6 (Fig. 2) and contain an upper ring flange 2, a central core 8 with additional ventilation holes, one ring magnet 7, a voice coil 9 with ferromagnetic rings 10 and 11, and a sound emitter 1.

Звуковая катушка 9, механически связанная через ферромагнитное кольцо 11 с звуковым излучателем 1, расположена в зазоре между центральным керном 8 и верхним кольцевым фланцем 2. Данная конструкция является более дешевой и технологичной, однако ее основные характеристики, такие как высокий КПД и низкие нелинейные искажения, остаются такими же, как и в заявляемой конструкции с двумя кольцевыми магнитами.The voice coil 9, mechanically connected through a ferromagnetic ring 11 with the sound emitter 1, is located in the gap between the central core 8 and the upper annular flange 2. This design is cheaper and more technologically advanced, but its main characteristics, such as high efficiency and low non-linear distortion, remain the same as in the claimed design with two ring magnets.

Число ферромагнитных колец в заявляемом изобретении может быть различным, но не менее двух, охватывающих звуковую катушку с обеих сторон. Их число определяется параметрами обмотки, например, при двухслойной обмотке звуковой катушки 9 число ферромагнитных колец равно 3, а при четырехслойной обмотке звуковой катушки их число выбирается равным 5.The number of ferromagnetic rings in the claimed invention may be different, but not less than two, covering the voice coil on both sides. Their number is determined by the parameters of the winding, for example, with a two-layer winding of a voice coil 9, the number of ferromagnetic rings is 3, and with a four-layer winding of a voice coil, their number is chosen equal to 5.

Выполнение конструкции заявляемого электроакустического преобразователя позволяет повысить его КПД за счет снижения магнитного сопротивления зазора и уменьшить нелинейные искажения благодаря более равномерному распределению магнитного потока в обмотке звуковой катушки при любых положениях звуковой катушки и за счет эффективного отвода тепла.The design of the inventive electro-acoustic transducer can increase its efficiency by reducing the magnetic resistance of the gap and reduce non-linear distortion due to a more uniform distribution of the magnetic flux in the winding of the voice coil at any position of the voice coil and due to efficient heat dissipation.

ЛитератураLiterature

1. Патент США №3930129, опубл. 30.12.1975 г.1. US patent No. 3930129, publ. 12/30/1975

2. Патент РФ №2018210, опубл. 15.08.1994 г.2. RF patent №2018210, publ. August 15, 1994

3. Патент США №2018211, H04R 9/00, опубл. 28.02.1992 г.3. US Patent No. 2018111, H04R 9/00, publ. 02/28/1992

Claims

1. An electro-acoustic transducer comprising a central core and an upper annular flange, between which there are permanent annular magnets and annular pole lugs, an annular non-magnetic gasket, a voice coil installed in the working gap coaxially and symmetrically to a ring non-magnetic gasket and a sound emitter, characterized in that at least two ferromagnetic rings inserted from the outer and inner sides of the coil are introduced to it, and the sound emitter is mechanically connected to one of the ferroms Omnit rings.

2. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic rings are made of ferromagnetic material and aluminum finely divided crumbs.

3. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic rings are made of ferromagnetic material, aluminum finely divided chips and compound.

4. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic rings comprise, on the sides facing the inner and outer sides of the voice coil, a magnetodielectric layer.

5. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the magnetodielectric layer on the ferromagnetic rings is in the amount of 5-30% of the amount of the ferromagnetic material of the ring.

6. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the central annular non-magnetic gasket is made of diamagnetic or paramagnetic material.

7. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the annular pole pieces are made of soft magnetic material.

8. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the central core is made with ventilation holes.

9. Electro-acoustic transducer according to claim 1, characterized in that the sound emitter is made in the form of a conical cone.