Введение к работе
Актуальность проблемы.
Улучшение параметров и повышение качества звуковоспроизводящей аппаратуры, в состав которой обязательно входит громкоговоритель, как правило электродинамического типа, в настоящее время особенно актуально в связи с расширяющимся применением цифровых методов передачи, обработки и воспроизведения радиовещательных сигналов, разработкой систем мультимедиа, спутникового радиовещания и телевидения, многоканального звукового сопровождения домашних видеотеатров.
При значительных масштабах производства звуковоспроизводящей аппаратуры совершенствование методов ее проектирования, и в частности электродинамических громкоговорителей, является важной практической задачей. Например, объем выпуска громкоговорителей в "понпи достигает 150 млн. штук в год, в США - 100 млн. штук, отечественная промышленность выпускает около 30 млн. штук в год. Число выпускаемых моделей громкоговорителей в мире достигает нескольких тысяч и отличается большим диапазоном изменения конструктивных и электроакустических параметров (диаметры диффузоров 40...500 мм, мощности 0.1..300 ватт и т. д.).
Следует отметить, что при непрерывно повышающихся требованиях к качеству воспроизведения звука, высокая конкурентоспособность звуковоспроизводящей аппаратуры может быть достигнута только при минимальном времени проектирования.
Электродинамические громкоговорители (ЭДГ) в настоящее время остаются основным источником нелинейных искажений (НИ) в звуковоспроизводящем тракте, что объясняется сложностыо электромеханоакустического преобразования сигнала громкоговорителем. НИ характеризуются появлением новых спектральных составляющих в процессе преобразования сигнала, что отрицательно сказывается на качестве и достоверности звучания. Так, для всех видов НИ в акустических системах на реальных музыкальных программах субъективные пороги слышимости составляют 1...5%, для специальных тестовых сигитлоп пороговые значения могут достигать 0.1%, заметиоеть гармонических составляющих существенно зависит от их порядка и четности, восприятие НИ обостряется при многократном прослушивании, особенно при воспроизведении звучания отдельных музыкальных инструментов. Допустимые уровни НИ громкоговорителей и методы пх измерении определены в ряде отечественных п зарубежных документов, например в ГОСТ 16122-87, OCT4.3S3.001-85, МЭК 581-7, МЭК 2685, и составляют для ЭДГ, используемых в высококачественных акустических системах, 2% в диапазоне
низких частот и 1% в диапазонах средних и верхних частот. Таким образом, обеспечение требуемых значений НИ и их минимизация является важной задачей при проектировании громкоговорителей.
Широкое распространение в последние годы вычислительной техники, особенно
персональных компьютеров, а также развитие методов вычислительной математики
создали возможность создания систем автоматизированного проектирования
(САПР), которые позволяют предсказывать многие характеристики
фомкоговорителей без их физического макетированная. Основной эффект от САПР состоит в ускорении цикла проектирования, замене дорогостоящего натурального эксперимента вычислительным, а также в получении изделии более высокого качества. Однако существующие САПР не позволяют моделировать нелинейные искажения в громкоговорителях.
Таким образом в настоящее время, имеется практическая необходимость и реальная возможность разработки методов математического моделирования и расчета нелинейных искажений, возникающих в электродинамических фомкоговорителях, и создания соответствующего профаммного обеспечения для проектирования при помощи ЭВМ фомкоговорителей.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является исследование вопросов, связанных с уменьшением нелинейных искажений, возникающих в узле "магнитная цепь-звуковая катушка" электродинамических громкоговорителей, создание эффективных методов математического моделирования и расчета НИ на ЭВМ и разработка на их основе профаммного обеспечения для проектирования фомкоговорителей, что позволяет значительно сократить время проектирования и улучшить ряд характеристик фомкоговорителей, влияющих на качество звучания. Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные вопросы:
1. Выполнить анализ существующих и используемых в настоящее время методов
моделирования и расчета нелинейных искажений, возникающих в ЭДГ, и
произвести оценку их эффективности и точности с целью выбора лучших из них в
качестве исходного приближения для создания методики проектирования узла
"магнитная цепь-звуковая катушка".
2. На основе современных методов вычислительной математики разработать
методику, позволяющую моделировать физические процессы, происходящие її узле
"магнитная цепь-звуковая катушка" и обуславливающие возникновение НИ.
3. Создать необходимое программное обеспечения, функционирующее на
персональных ЭВМ, для анализа, моделирования и проектирования магнитных
цепеіі и звуковых катушек ЭДГ.
4. Произвести сравнение измеренных и рассчитанных характеристик
громкоговорителей с целью проверки адекватности предложенной методики
проектирования.
5. Использовать разработанную методику моделирования нелинейных искажений
при проектировании реальных громкоговорителей.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались методы математической физики, электродинамики, теории нелинейных дифференциальных уравнении, вариационные методы численного моделирования на ЭВМ п измерения а звукомерной заглушённой камере.
Научная новизна.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в том, развиты теоретические основы моделирования узла "магнитная непь-зиуковая катушка" электродинамических громкоговорителей и разработана машинная методика расчета нелинейных искажений, включающая в себя:
моделирование и расчтг нелинейный искажений, обусловленных неоднородностью и несимметричностью постоянного магнитного поля в воздушном зазоре, на основе полного анализа структуры поля методом конечных элементов;
алгоритм расчета зависимости индуктивности звуковой катушки электродинамического громкоговорителя от смещения ее из положения равновесия, использующего мет^д конечных элементов;
- математическую модель вихревых токов, возникающих в деталях магнитном цепи
ЭДГ, п методы их расчета;
- нелинейную модель электродинамического громкоговорителя, учитывающую
явление магнитного гистерезиса в элементах магнитной цепи
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенная методика расчета узла "магнитная цепь-зиуковая катушка" позволяет ускорить пронесе проектирования ЭДГ, существенно сократив его время за счет исключения трудоемкого этапа натурного макетирования, а также значительно улучшить характеристики громкоговорителей и звуковоспроизводящих систем в целом.
Созданный пакет прикладных программ может быть использован при проектировании громкоговорителей для выбора конфигурации и размеров магнитной цепи и звуковой катушки с целью уменьшения нелинейных искажений.
Реализация, результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы, в том числе созданные машинные программы для анализа, моделирования и оптимизации узла "магнитная цепь-звуковая катушка" электродинамических громкоговорителей были использованы в исследованиях и разработках, проведенных в ИРПА им. А.С. Попова при выполнении научно-исследовательских работ по темам "Александрит-90", "Александрит-92", "БРПЗА-Акустика-94", а также в работах с рядом предприятий по договору о передаче научно-технических решений. Результаты внедрения диссертационной работы подтверждаются соответствующими актами.
Апробация работы и публикации.
По материалам диссертационной работы опубликованы пять печатных работ. Результаты, полученные в работе на разных стадиях ее выполнения докладывались и обсуждались на :
- Всероссийской научно-практической конференции "Перспективы развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники", г. Санкт-Петербург, 1993 год
97-ой конференции Международного звукотехнического общества ( Audio Engineering Society ), г. Сан-Франциско, 1994 год
98-ой конференции Международного звукотехнического общества ( Audio Engineering Society ), г. Париж, 1995 год
99-ой конференции Международного звукотехнического общества ( Audio Engineering Society ), г. Нью-Йорк, 1995 год.
