Расчет параметров громкоговорителя

Расчет параметров громкоговорителя

СОДЕРЖАНИЕ

1.   РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

1.1 Исходные данные для расчета некоторых параметров громкоговорителя

.2 Расчет звуковой катушки и параметров магнитного зазора

.3 Расчет диффузора

.4 Расчет гибкой подвески

.5 Расчет магнитной системы

.6 Расчет внешнего оформления

.7 Расчет частотной характеристики громкоговорителя

ВЫВОД

1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

1.1     Исходные данные для расчета параметров громкоговорителя

громкоговоритель диффузор звуковое давление

·  Номинальная электрическая мощность Р = 1 Вт;

·        Полное электрическое сопротивление громкоговорителя z = 4 Ом;

·        Номинальный диапазон частот fн = 100 Гц fв= 8000 Гц;

·        Коэффициент нелинейных искажений на частоте f = fн kf = 10%;

·        Среднее стандартное звуковое давление Pст = 0.3 Па;

·        Конструкция магнита -ВК;

·        Тип внешнего оформления - открытый ящик.

Определим принадлежность громкоговорителя до одного из трех классов громкоговорителей. Так как fн = 100 < 300 Гц и fв= 8000 > 5000 Гц, то данный громкоговоритель является широкополосным.

Найдем номинальное давление Рн:

Рн = Pст× = 0.3× = 0.3 Па.

Найдем частоту резонанса механической системы f0:

fр = 1.1× fн Гц.= 1.1∙100=110 Гц

Определим допустимую амплитуду смещения подвижной части системы на резонансной частоте xm:

xm = xm0×3× = 1.5×10-3×3×= 1.3895×10-3 м.

xm0 - допустимая амплитуда смещения (для громкоговорителя мощностью 1 Вт на резонансной частоте f0 = 1000 Гц). Графики зависимости xm0(kf) приведены на рис.1.

.2 Расчет звуковой катушки и параметров магнитного зазора

Исходные данные:

·  Номинальная электрическая мощность Р = 1 Вт;

·        Полное электрическое сопротивление громкоговорителя z =4 Ом;

·        Максимальная амплитуда смещения xm = 1.39×10-3 м.

Определяем мощность, которая рассеивается единицей площади боковой звуковой катушки:

Для этого по графику зависимости (xm) (рис.2) находим минимальное допустимое, при заданной амплитуде смещения xm, значение ширины свободного воздушного зазора bз, от размера которого зависит скорость теплообмена и допустимая удельная мощность, которая рассеивается единицей поверхности. Величину Руд находим по графику зависимости Руд() (рис.3).

Рассчитаем площадь боковой поверхности звуковой катушки:

Sб = = м2.

Выбираем отношение диаметра катушки к её высоте:

k =  (так как Р>3 Вт).

Определяем диаметр звуковой катушки  и её высоту:

= =  м.

= м.

Найдем диаметр керна магнитной системы:

dk = - 2×= 0.008 - 2×0.8×10-3 = 0.008м.

Принимаем ближайшее номинальное значение диаметра керна согласно с

ГОСТ - 9010 - 59 таким, что равняется 10, 12, 15, 17, 20, 35, 40.

Определяем диаметр звуковой катушки через заданное значение её электрического сопротивления:

Выбираем согласно данному ряду dk = 0.01 м., тогда

= dk + 2× = 0.01 + 2×0.8×10-3 = 0.01036м.

Определим диаметр провода звуковой катушки через значение её электрического сопротивления:

dп = = 0.123×10-3 м., где

n - число слоев обмотки звуковой катушки (принимаем n= 4 );

g - удельное сопротивление провода для меди (g = 1.75×10-8 Ом×м).

Определим плотность тока:

j = = 5.77×107 , где

Sп - площадь поперечного сечения провода Þ Sп = = 9.5×10-9 м2.

Найденное значение плотности тока сравним с допустимым, найденным по графику зависимости (рис.4). Из графика зависимости видно, что найденное значение не превышает допустимое.

Рассчитаем количество витков звуковой катушки:

W = n×Q = 72.

Q = 0.85…0.95 - коэффициент заполнения.

Найдем длину провода звуковой катушки и рассчитаем сопротивление звуковой катушки согласно с формулой:

R = g×=

Выбором dп, W, lп добиваемся, чтобы R = (0.8…1.95)×zвх.

lп = p××W, тогда с вышеуказанными условиями рассчитаем длину провода lп =2.34 м

Определим массу звуковой катушки как сумму масс провода и каркаса mк: mп = lп×Sп×rп = 0.00020кг.,

rп - плотность материала провода (плотность меди rп = 8.9×103 );

mк = p××hк×rк×∆к = 0.000102 кг.,

hк - высота каркаса звуковой катушки Þ hк = 3×= 0.006 м.,

rк - плотность материала каркаса Þ rк = 850 ,

∆к - толщина каркаса Þ ∆к = 0.15 мм = 0.00015 м.

Определим толщину звуковой катушки:

∆зк = n×dп + ∆к = 0.00059 м.

Определим ширину магнитного зазора:

bз = ∆зк + 2× » 0.001 м.

Выберем высоту магнитного зазора для громкоговорителя:

hмз = hзк + 2× xm = 0.0028 м.

.3 Расчет диффузора

Исходные данные:

·  Рабочий диапазон частот 5000…10000 Гц;

·        Номинальное давление Рн = 0.33 Па;

·        Максимальная амплитуда смещения xm = 0.34×10-3 м.;

·        Частота механического резонанса fp = 3000Гц;

·        Масса звуковой катушки mзк » 0.0003 кг.

Выбираем материал для изготовления диффузора.

В качестве материала для изготовления диффузора используется композиция бумажной массы с плотностью rд » 0.9×103  и значение модуля упругости такой композиции равно Е = 9×109 .

Вычисляем радиус диффузора таким образом, чтобы обеспечить заданное номинальное давление Рн при заданном уровне нелинейных искажений (который определяется максимальной амплитудой xm).

rд = = 0.017 м.

Определим массу диффузора:

= 0.00015 кг,

= А×= 0.000138 м.

.4 Расчет гибкой подвески

Исходные данные:

·  Частота резонанса подвижной системы fр = 3000 Гц;

·        Масса звуковой катушки mзк » 0.0003 кг;

·        Масса диффузора  0.00015 кг;

·        Радиус диффузора rд = 0.017 м.

Определим массу подвижной системы:

mS = mд + mзк + mc = 0.00047 кг.,

mc = 5×r0× = 0.00002 кг.

Определим общую гибкость подвески при помощи известного значения частоты механического резонанса:

cS =  = 6×10-6 .

Распределяем гибкость между элементами подвески - воротом и центрирующей шайбой сш. для широкополосного громкоговорителя выполняется следующее условие:

m = ,

Считая, что гибкость  и сш соединены последовательно, получаем:

свом = cS×(1+m) = 1,8×10-5 ,

сш =  = 9×10-6 .

Для изготовления гофра будем использовать Целюлоза сулфатная беленая 30-70%

Профиль гофра - плоский

Находим ширину гибкого ворота по формуле:

bвом = ∆вор×= 0.0016м.,

∆вом = 0.7×= 9.63×10-5 м.,

k3 - коэффициент, который выбирается в зависимости от профиля гофра Þ k3 = 1,

k4 - коэффициент, который определяется отношением  Þ k4 = 1.

Задаем число гофров равным 2 и вычисляем шаг гофра:

nвом = 3,

lвом = = 0.00052 м.

Тогда можно выбрать тип центрирующей шайбы и материал для её изготовления, профиль шайбы и соотношение между высотой шайбы и её шагом:

материал для изготовления центрирующей шайбы - креп-шифон,

профиль центрирующей шайбы - трапециевидный,

отношение высоты шайбы к её шагу Þ=0.

Определим ширину центрирующей шайбы bш:

Общая формула имеет вид:

bш =  ,

∆ш = 1×= 0.000138 м.,

k3 = 1,

k4 = 1,

q = .

Производя все расчеты с данной методикой, получаем:

bш1 = 0.0012 м.,

bш2 = 0.0012 м.

Значение bш возьмем как среднее между bш1 и bш2, тогда

bш = 0,0012

Определим число шагов шайбы (nш) и определим этот шаг (lш):

nш = 3,

lш =  м.

.5 Расчет магнитной системы

Исходные данные:

·  Номинальное звуковое давление Рн = 0.33 Па;

·        Масса подвижной системы mS = 0.00047 кг,

·        Длина провода звуковой катушки lп= 2.34 м;

·        Высота магнитного зазора hмз = 0.0028 м;

·        Диаметр керна dk = 0.01 м;

·        Радиус диффузора rд = 0.017м;

·        Номинальная электрическая мощность Р = 1.2 Вт;

·        Электрическое сопротивление катушки z = 4 Ом.

Расчет магнитной системы производят в три этапа, но перед началом расчетов определим основной входной параметр системы - значение магнитной индукции в зазоре Вз.

Вз = = 0.67 Тл,

r0 - плотность воздуха Þ r0 = 1.29 .

Первый этап расчета магнитной системы:

. Выбираем тип магнитной системы.

2. В качестве материала, из которого изготавливается магнит, выберем прессованный магнит ЗБА. Зададимся значениями индукции Вр и напряженности Нр для данного материала магнита:

Вр = 0.95 Тл;

Нр = 34×103 .

. Найдем объем магнита:

Vм =  = 1.3×10-6 м3.

= 4×p×10-7,

= 0.5.

. Определим магнитную проводимость зазора, пользуясь формулой:

gз = ×= 9.937×10-7 См.

. Определим высоту магнита:

hм = = 0.0149 м.

. Определяем площадь сечения и диаметр магнитов:

Sм = = 0.00009 м2,

Внутренний диаметр для кольцевого магнита:

dм2 = dk + = 0.0157м.

. Задаем размеры магнитопровода. Внутренний размер

Толщину верхнего и нижнего фланцев принимаем такой, что равняется высоте зазора hмз .

Второй этап расчета магнитной системы:

. Рассчитаем проводимость всех зон рассеивания и определим полную проводимость магнитной системы:

gS = gз + g1 + g2 + g3 + g4 + g5.

g1 = 2.5××» 9.38×10-8 См;

Пм - периметр сечения магнита, который включает в себя длину внутреннего и внешнего окружностей Þ Пм = 2×p×(0.5× dм1 + 0.5× dм2) » 0.584 м;

hм - высота магнита.

g2 = 0.26×p× dk×= 1.03×10-8 См;

dk - диаметр керна.

g3 = × dk×= 3.53×10-8 См;

 - внешний диаметр фланца,

 - ширина воздушного зазора.

g4 = 2×× dk×ln() = 5,91×10-8 См;

 - внутренний диаметр кернового магнита,

 - высота магнита.

Тогда gS = 3.00×10-7 См.

. Пользуясь кривой размагничивания В(Н), строим отношение  как функцию Н (рис.6).

. Исходя из магнитного закона Ома (Ф = g×Fм), рассчитаем фактическое значение отношения:

= gS×= 4.94×10-5 .

. Пользуясь графиками  = f(H) и В(Н), находим фактическую рабочую точку на кривой размагничивания и соответствующее ей значение магнитной индукции:

Нрф = 24×103 ,

Врф = 1.1 Тл.

. Используя магнитный закон Ома, находим:

Вф = Врф ×Sм×= 0.438Тл.

Третий этап расчета магнитной системы:

Сравним фактическую магнитную индукцию в зазоре Вф с необходимым значением индукции Вз и фактическое значение удельной энергии 0.5× Нрф× Врф с максимальным для данного материала 0.5× Нр× Вр. Отклонение от этих значений не больше, чем на 10%, т.е. Вф = (0.8…1.1) Вз и Нрф× Врф = (0.9…1)× Нр× Вр, является допустимым.

1.6 Расчет внешнего оформления

Закрытый ящик представляет собой наиболее распространенный вид внешнего оформления, что используется в выносливых А.С. профессиональной аппаратуры. Хорошее качество этого оформления заключается в практически полном включении влияния излучения обратной стороны диффузора на звуковое поле внешней стороны.

В случае больших габаритов ящика к его стенкам крепятся деревянные бруски, что отображают роль рёбер жесткости.

Недостатки З.Я. : повышения резонансной частоты движущееся системы громкоговорителя, связанная с влиянием упругости закрытого объема; резко выраженное влияние резонансных частот ящика, отображенный сильной связью движущееся системы с закрытым объемом ящика.

.7 Расчет частотной характеристики громкоговорителя

Расчет частотной характеристики позволяет также установить соответствие полученных параметров тем параметрам, которые требует техническое задание.

Расчеты выполняются, пользуясь схемой электрического аналога громкоговорителя, которая применяется в области распространенного действия диффузора (рис.7), где

Е - эффективное значение ЭДС гармонического источника электрического сигнала,

Ri - внутреннее сопротивление источника гармонического сигнала,

Rk - омическое сопротивление звуковой катушки,

Lk - индуктивность звуковой катушки,

I - эффективное значение тока в электрическом контуре,

k - коэффициент электромеханической трансформации Þ k = Bз×lп,

F - эффективное значение силы, которая действует в механическом контуре,

V0 - эффективное значение скорости, которая действует в механическом контуре,

c - механическая гибкость подвижной системы громкоговорителя,

R - механическое трение подвижной системы громкоговорителя,

zмп - механическое сопротивление излучения Þ zмп = r0×c0×S×(R¢ + j×X¢).

На рис.8 изображена схема эквивалентных параметров механического контура громкоговорителя:

Re - эквивалентный активное сопротивление контура,

Xe - эквивалентное реактивное сопротивление контура.

Формула для расчета звукового давления:

;

В данной формуле итоговое давление измеряется в Па, чтобы перевести эти значения в дБ используют следующее соотношение:

L(дБ) = 20×lg() = 20×lg.

В формуле для звукового давления её составляющие можно описать так:

= 1.29 ;

a - радиус диффузора;

E = ;

Bз - значение магнитной индукции в зазоре;

r = 1 м;

lп » 2.34 м;

w = 2×p×f = 2×p×n×f0, где n = , n можно выбрать в соответствии с рядом:

.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3.5, 7, 10, 15, 20, 30, 50.

f0 - линейная резонансная частота,

y(kl) - дифракционная поправка, обусловленная коническими размерами экрана Þ

y(kll) = ;

ll = 0,006 м;

Ri = 0.5×(Rk + Rвн), {оптимальное условие с точки зрения максимальной мощности}

Rk = 4 Ом;

Rвн - активная составляющая вносимого электрического сопротивления Þ

Rвн = ;

Lk = 0.7×10-4× Rk;

Xвн - реактивная составляющая вносимого электрического сопротивления Þ

Xвн = ;

Re = R + 2××c0×S×R¢;

R¢ = ; = ;

X¢ = .

Но, следует учитывать, что если k×a>2, то R¢ = 1 и X¢ = 0.

Зависимость звукового давления и некоторых других характеристик громкоговорителя от n можно пронаблюдать в таблице 1. Частотные характеристики системы по давлению и по уровню громкости показаны на рис.9 и 10, соответственно.

Таблица 1

ВЫВОД

При выполнении данной курсовой работы был произведен расчет громкоговорителя, некоторые параметры которого задавались в условии и, который должен был обладать определенными свойствами, а именно необходимым частотным диапазоном.

По условию указывалось, что динамический диапазон данного громкоговорителя должен находиться в пределах от 5000 Гц до 10 кГц. Резонансная частота, полученная по частотной характеристике, полностью совпадает с вычисленной резонансной частотой и составляет 3000 Гц. Полученная частотная характеристика полностью нас удовлетворяет в области высоких частот. Равенство резонансной частоты, рассчитанной и полученной из частотной характеристики, говорит о том, что общая масса и гибкость системы найдены наиболее оптимально в соответствии с заданием. Чтобы подкорректировать частотную характеристику в области высоких частот, необходимо уменьшить геометрические размеры диффузора, но это, в свою очередь, приведет к значительному ухудшению частотной характеристики в области высоких частот. Поэтому, в зависимости от того, какое условие поставлено к работе данного громкоговорителя, и следует производить данные корректировки.