Сегодня в разделе Теория Автозвука, мы постараемся вместе разобраться, как устроен мотор сабвуфера (магнитная система и звуковая катушка), а так же узнаем с какими сложностями сталкиваются производители при проектировании магнитной системы и звуковой катушки сабвуфера.
Основа привода динамика осталась практически без принципиальных изменений со времен выдачи первого патента в 1925 г. Пять основных частей привода неизменны и незыблемы: 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, на изготовление 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. Основной параметр, определяющий результаты этого взаимодействия — так называетмый силовой фактор B x L, часто 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 и длинная катушка. 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, поскольку 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 многослойные 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 сабвуферных 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.
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 (в сабвуферах Kicker, например, очень это любят)
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 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. 
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 верхнего торца полюсного наконечника, 
установки медного (реже — алюминиевого) наконечника… 
…или с помощью так называемого «стабилизатора магнитного потока» — проводящего кольца, установленного у основания полюсного наконечника, подобная конструкция замечена в сабвуферах марки Fi Audio.
Побочным эффектом от короткозамкнутых витков в различных вариантах является уменьшение индуктивности звуковой катушки, из-за влияния которой с повышением частоты растет импеданс сабвуфера. Поэтому косвенно о наличии описанных устройств в конструкции динамика можно судить по величине индуктивности звуковой катушки. Если величина этой индуктивности 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.
по материалам журнала Автозвук
Бас Клуб является официальным информационным партнером IASCA Russia, сезона 2011 года. Теперь посетители нашего сайта смогут узнавать новости и анонсы IASCA 2011 одними из самых первых. Помимо этого мы как всегда порадуем Вас максимально полными фото отчетами и обзорами о прошедших этапах соревнований по автозвуку IASCA Russia.
