Самодельные звукоизлучатели

Картинка Upklyak, Freepik ^[1]

Если посмотреть в сети, то многие самодельщики обходят стороной такую любопытную сферу приложения усилий, как самодельные звукоизлучатели. Тем не менее понимание этой области позволит создавать свои собственные звукоизлучающие устройства, практически из подножного материала, что само по себе может быть весьма занятным и полезным. Например, можно создать звуковую колонку из листа бумаги, которая будет очень дешёвой и её не страшно будет оставлять без присмотра (например, на даче). Эта же простота и понимание устройства, позволяет и попробовать создать колонку любого размера. Или же, собрать альтернативу широко известным типам звукоизлучающих устройств — электростатическую колонку (как заявляют очевидцы, обладающую поразительно кристальным звучанием). А если вы захотите получить простой и дешёвый источник громкого звука, чтобы отпугивать вредителей (например, птиц) или просто собрать сторожевую систему из электродвигателя — то сирена ваш выбор! Обо всём этом и не только — в этой статье.

Наука о преобразователях

Существует специальная область науки, которая занимается изучением и проектированием устройств, позволяющих преобразовывать электрическую энергию в звуковые колебания и наоборот, называется она электроакустикой, а предмет её исследований, соответственно, называется электроакустическими преобразователями.

Все электроакустические преобразователи можно разделить на две большие группы, где в первую входят преобразователи обратимого действия, позволяющие как преобразовывать электрический ток в звуковые колебания, так и совершать обратное преобразование; в то время как во вторую группу входят устройства, совершающие необратимые преобразования: например, где высоковольтный высокочастотный разряд, производит генерацию звука.

Преобразователи имеют ряд характеристик, которые можно перечислить для общего развития (ниже приведены не все, так как их очень много):

• номинальный диапазон частот — диапазон звуковых частот, в которых может работать тот или иной преобразователь, обычно указывается в документации к нему;
• эффективный диапазон частот — диапазон, в котором преобразователь может создавать звуковое давление на своей оси, пониженное на 10 децибел, по сравнению с уровнем его максимальной чувствительности;
• чувствительность — среднее значение звукового давления в определённом диапазоне частот на рабочей оси преобразователя, для расстояния в 1 м от преобразователя, при подведении к нему мощности в 1 Вт;
• характеристика частот звукового давления — звуковое давление на определённом расстоянии от преобразователя, в зависимости от частоты;
• неравномерность АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) — отношение максимального звукового давления к минимальному в рамках номинального диапазона частот;
• среднее стандартное значение звукового давления — звуковое давление, которое может развивать преобразователь на расстояние в 1 м от него, на рабочей оси, при подведении к нему мощности в 0,1 Вт;
• диаграмма направленности — как зависит сила звукового давления от направления излучения звука, при определённой частоте;
• дребезг — помехи при работе преобразователя, слышимые в определённом диапазоне частот;
• призвук — компоненты сигнала, воспринимаемые как помехи, при подведении к преобразователю гармонического сигнала.

По принципам преобразования, устройства можно разделить на следующие:

▍ Электродинамические преобразователи

Подобного типа преобразователи встречаются чаще всего, и их принцип действия основан на эксплуатации закона индукции, когда переменные магнитные поля наводят электрический ток в проводниках:

Картинка: П. Н. Петров – «Электроакустические преобразователи»

Как можно видеть по картинке выше, в общем случае подобные устройства представляют собой постоянный магнит (2), между полюсами которого располагается лёгкая катушка с обмоткой (3), с которой одно целое представляет мембрана (4), в соединённая со станиной с помощью эластичной подвески (1).

Протекающий через обмотку катушки ток, вызывает появление магнитного поля, сконцентрированного в центре катушки и взаимодействующего с постоянным магнитом, что приводит в движение как саму катушку, так и связанную с ней мембрану.

Причём такое устройство вполне под силу создать самому, из простого листа бумаги (это может быть полезно, при отсутствии большой колонки под рукой):

▍ Электростатические преобразователи

Этот тип преобразователей базируется на законе Кулона и взаимном притяжении зарядов.
Подобные преобразователи представляет собой два электрода, из которых один выполнен в виде подвижной диафрагмы, при движении которой создаётся переменная ЭДС, за счёт изменения ёмкости конденсатора, при перемещении диафрагмы (то есть, изменения расстояния между электродами).

Такой принцип используется для создания конденсаторных микрофонов и не только, — например, на подобном принципе действия могут быть созданы электростатические громкоговорители, где в качестве подвижной мембраны используется тонкая металлизированная лавсановая плёнка, толщиной порядка 0,3-05 мкм, располагающаяся на некотором расстоянии от неподвижного электрода, также изготовленного из металлизированного диэлектрика.

Между мембраной и другим электродом прикладывается высокое напряжение, достигающее нескольких тысяч вольт, величина которого существенно выше максимального напряжения сигнала, — что делается для уменьшения нелинейных искажений.

Переменное напряжение для генерации звука подаётся через обмотку повышающего трансформатора.

Такие звукоизлучатели отличаются высокой частотой резонанса, располагающейся приблизительно на отметке в 10 кГц, что делает их пригодными для использования в качестве излучателей высокочастотного звукового диапазона и ультразвука.

Картинка: П. Н. Петров – «Электроакустические преобразователи»

При этом пушпульный вариант такого звукоизлучателя допускает большие отклонения мембраны и поэтому может применяться для излучения звука как в диапазоне средних, так и в диапазоне низких частот, где для излучения низких частот требуется пластина мембраны с площадью около 0,5 м².

Как писали люди в комментах к одному из виденных в сети видео — «Электростатические динамики — это необычайно детальный звук. Кто хоть раз услышит, уже никогда не забудет.». Есть повод задуматься о самоделке! ;-)

▍ Электретные преобразователи (звукоизлучатели)

Похожи на электростатические, но отличаются от них отсутствием постоянного напряжения, которое заменено наэлектризованнвм диэлектриком (электретом), электризация которого производится с помощью коронного разряда. Однако существующие технические трудности с сохранением стабильного заряда в течение длительного времени на большой площади, существенно ограничивает их применение.

▍ Электромагнитные преобразователи

Такого типа преобразователя используют изменение магнитного потока магнита во время изменения магнитного сопротивления или же изменение силы притяжения якоря при изменении потока:

Картинка: П. Н. Петров – «Электроакустические преобразователи»

На картинке выше показаны два варианта преобразователя, где мембрана (1) выполнена из ферромагнитного материала и при приближении или удалении к постоянному магниту (2), происходит изменение величины магнитного потока, протекающего через сердечник катушки, что приводит к индуцированию переменной ЭДС в ней.

В обратном случае, если к катушкам прилагается переменное напряжение, то это вызывает соответствующее перемещение мембраны, то есть система работает как звукоизлучатель.

Подобного типа преобразователи могут использоваться в наушниках, а также в механических звукоснимателях.

▍ Пьезоэлектрические преобразователи

Их принцип действия базируется на использовании одноимённого эффекта, который заключается в возникновении ЭДС, при сжатии кристалла. Этот вариант называется прямым пьезоэффектом и может быть использован микрофонах. В противовес ему существуют ещё и обратный пьезоэффект, где к электродам, подключённым к пьезокристаллу, подводится переменное напряжение, что вызывает возникновение соответствующей переменной силы, что может быть использовано для создания звуковых пьезоизлучателей.

Ниже показан вариант самодельного пьезоизлучателя, где использована обычная бумага, фольга, провода и самодельные кристаллы сегнетовой соли:

Подробное описание эксперимента есть тут ^[2].

▍ Плазменные преобразователи

Такого типа преобразователи ещё называют плазмотронами или ионофонами, так как они используют для воспроизведения звука пульсацию некоторого объёма ионизированного воздуха, находящегося между электродами, где диапазон воспроизводимых частот находится в пределах от 2 до 20 кГц, а основным достоинством такого типа излучателей является отсутствие инерции.

▍ Ленточные преобразователи

Является достаточно любопытным типом, так как в качестве звукоизлучающего элемента выступает гофрированная лента из алюминиевой фольги, расположенная между магнитами.

С помощью подобного устройства можно воспроизводить звуковые частоты в диапазоне от 10 до 120 кГц.

Недостатком устройства является необходимость в массивных магнитах и согласующих трансформаторах, из-за малого сопротивления ленточки.

▍ Звукоизлучатели Хейла

Представляют собой гофрированную мембрану из тефлона или нейлона, на которую наносится металлический проводник, после чего мембрана помещается в магнитное поле. Если далее к проводнику приложить переменный ток звуковой частоты, то это приведёт к колебаниям мембраны в магнитном поле, при этом с одной стороны мембраны гофрированная часть будет сжиматься, с другой — разжиматься.

Картинка: ldsound.info ^[3]

▍ Изодинамические излучатели

Представляют собой пластину из диэлектрика, на которую методом напыления нанесён проводник в виде прямоугольной спирали, после чего пластина помещается в зазоре между параллельно расположенными магнитами и к проводнику на ней подводится переменное напряжение. Устройство может воспроизводить диапазон частот от 2 до 30 кГц:

Картинка: ldsound.info ^[3]

Материалы для электродинамических громкоговорителей

Так как преобразователи такого типа используются чаще всего, можно вкратце рассмотреть, для общего понимания, а как в промышленности решается вопрос материалов, использующихся для подобных преобразователей.

▍ Материалы для диффузоров

Правильный выбор материала для диффузора представляет собой существенную трудность, так как к нему предъявляется комплекс противоречивых требований:

• нужны большие внутренние потери, для снижения неравномерности АЧХ, уровня призвуков и т.д.;
• требуется малая плотность, для увеличения КПД, уменьшения переходных искажений;
• устойчивость к климатическим различиям (влажность, температура), стабильность конструкции во времени.

Решение поставленных задач происходит в рамках следующих направлений:

• использование целлюлозы хвойных пород древесины, а также композиций на её основе с органическими и неорганическими волокнами, так как она обладает достаточно хорошей изначальной упругостью, а также линейностью упругих характеристик в широком диапазоне частот;
• металлические и композитные металлические диффузоры: позволяют создавать хорошие средне- и высокочастотные преобразователи, обеспечивающие хорошее воспроизведение звука в диапазоне частот от 30 до 40 кГц, повышенную чувствительность (95-98 дБ/Вт), высокую тепловую устойчивость, механическую надёжность. Например, ряд компаний, таких как Kenwood, Yamaha и другие, используют подобный подход в изготовлении высококачественных акустических систем, где для изготовления диафрагмы применяют металлы с малым удельным весом и большой жёсткостью — бериллий, бор, титан, алюминий и т.д., а также композиции на их основе — карбид титана, диборид титана, сплавы алюминия и бериллия. Кроме того, подобные металлы могут использоваться и в виде слоистых сэндвичей: титан + алюминий + бор, титан + бор, титан + бериллий. Или по отдельности, например, анодированный алюминий (алюминиевая фольга покрывается с помощью анодного окисления — окисью алюминия, что обеспечивает повышение её жёсткости (). Кроме того, известны достаточно экзотические, но, тем не менее успешные опыты по применению вспененных металлов в качестве диффузоров: медь, железо, хром и т.д. Самый лучший результат был достигнут с пористым никелем, где осаждение никеля производилось гальваническим путём на подложку из поролона, с последующим выжиганием последнего. При этом пористость металла может достигать от 98%, удельная масса приблизительно , а изгибная жёсткость в 30 раз выше, чем у бумаги. Для уменьшения воздухопроницаемости, упругости, а также увеличения жёсткости, слой пеноникеля толщиной в 2 мм далее армируется с помощью алюминиевой фольги, толщиной в 20 мкм. Известно применение подобных преобразователей в качестве звукоизлучателей низкой частоты в звуковых колонках фирмы Fisher. В зависимости от того, какой материал используется, применяются разные подходы для изготовления мембран: штамповка из фольги, вакуумное напыление (позволяет создавать многослойные конструкции) и др.;
• развитие химии полимерных материалов позволило использовать и их в производстве диффузоров, например, известно изготовление диафрагм из вспененного гранулированного пенополистирола, покрытого с двух сторон армированием фольгой. Кроме того, известно использование в качестве материалов для диффузоров синтетических волокнистых и тканых материалов (полиамид, полиэтилен, полипропилен и т.д.), с пропиткой эпоксидными и другими композициями. Например, известен такой материал, как эпоксикарбоволокнит (проще говоря, «карбон»), созданный из углеродных волокон с пропиткой эпоксидными смолами, жёсткость которого превышает значение жёсткости для стали. Кроме того, в качестве основы могут использоваться и стеклоткани, ткани из кварцевых волокон, кремнеземных волокон, также бумажные материалы на основе нитевидных кристаллов окиси алюминия, нитрида кремния.
• синтетические плёнки — использование их является одним из самых перспективных, так как изготовление диффузоров из этой основы позволяет применять такие технологичные подходы, как горячее прессование или термовакуумное формование из листа. Подобные диффузоры обладают всем комплексом необходимых характеристик: большие внутренние потери в материале, хорошая влагостойкость, отсутствие необходимости в использовании каких-либо пропиток. В качестве таких плёнок используют полиамидные, полиэтиленовые, а также плёнки из других материалов, в том числе с металлическим покрытием. Например, известен материал на основе полистирена и неопрена, получивший название bextren. Он может быть использован для изготовления диффузоров средне- и низкочастотных динамиков.

▍ Материалы для подвеса диафрагмы

Материал, который применяется, для подвешивания колеблющейся излучающий звук диафрагмы должен обладать:

• свойством сохранять свою форму, в широком диапазоне упругих воздействий;
• линейной упругостью, в максимально широком диапазоне изменения амплитуды смещения;
• стабильностью во времени и устойчивостью к температурным и атмосферным воздействиям;
• механической прочностью, позволяющей длительно выдерживать знакопеременные деформации без изменения физико-механических свойств.

Одним из подходов изготовления такого подвеса является изготовление его единым целым с диффузором, только в месте расположения подвеса варьируется толщина отливки/формования/ рифления.

Другим подходом является использование специальных материалов, например, резин и резиновых смесей: бутиловой резины, резины на основе натурального латекса, синтетической резины, хлоропренового каучука и т.д. Подвесы могут изготавливаться из сырой смеси с помощью горячего прямого формования (вулканизация на пресс-форме). Кроме того могут применяться и пористые вспененные материалы, такие как полиуретан, неопрен, пенополиуретан, пластифицированный поропласт, пористая резина, полиэтилен с сополимером этилена и т.д.

Резиновые смеси могут использоваться не только в качестве самостоятельного элемента устройства, но и для пропитки ткани, которая может быть использована в качестве подобного подвеса для диффузора.

▍ Материалы для магнитной системы

Качество работы звуковоспроизводящего устройства в немалой степени зависит и от качества магнитной системы, — значения и распределения индукции в зазоре магнитной цепи. Материал для магнитной системы выбирается в момент проектирования с целью обеспечить заданную индукцию в зазоре, и в тоже время, уложиться в требуемые размеры и массу звуковоспроизводящего устройства, обеспечить требуемую температурную стабильность индукции в зазоре.

В мировой практике используются различные виды магнитов для использования в звуковых системах: магниты, изготовленные с помощью литья из сплава FeAlNiCo, MnAlC, ферритовые магниты на базе ферритов бария и стронция, редкоземельные магниты.

Из перечисленного списка в рамках практических применений для самодельных устройств имеет смысл, наверное, в данный момент использовать только редкоземельные магниты, так как они обладают самой высокой величиной магнитной энергии и высокой коэрцитивной силой, что позволяет их использовать для создания микрозвуковых устройств. Кроме того, они самые доступные, в плане того, что, несмотря на их цену — их достаточно просто купить.

Говоря о редкоземельных магнитах, приходилось встречать такую информацию, что высокие значения магнитной энергии в редкоземельных магнитах достигаются за счёт большой коэрцитивной силы, остаточная индукция в этих магнитах довольно мала (0,7-1,0 Тл), что на практике означает, что для их применения в целях звуковоспроизведения, такие магниты должны иметь большую площадь сечения, если сравнивать их с литыми магнитами и малую толщину в направлении намагничивания.

▍ Материалы для катушки, на которую наматывается провод, а также самого провода

Подбор материала для звуковой катушки также представляет собой существенные трудности, так как она должна быть устойчивой как с механической точки зрения, так и к высоким температурным нагрузкам (нагрев может достигать, в некоторых случаях до ), быть атмосферостойкой. Тут ещё дополнительно следует отметить, что каркас катушки, как правило, работает, находясь в узком зазоре магнита, что само по себе существенно усложняет процесс охлаждения, поэтому вопросу температурной нагруженности катушки должно быть уделено соответствующее внимание.

Кроме того, каркас должен обеспечивать достаточную жёсткость и быть лёгким, чтобы избежать попадания резонансных частот каркаса в рамки воспроизводимого диапазона звука (насколько я понимаю этот момент, это означает, что у лёгкого каркаса частота резонанса будет находиться, в идеале, очень высоко, за пределами диапазона воспроизводимых частот, поэтому он должен быть максимально возможно лёгким — прим. автора статьи).

Поиск необходимого материала для каркаса катушки ведётся в 2 направлениях:

• нахождение материалов с наиболее низкой теплопроводностью, но высокой устойчивостью к теплу, что позволяет теплу аккумулироваться в верхних слоях и рассеиваться в окружающую среду. Поэтому обычно для этих целей используют изготовление катушек из электроизоляционной намоточной бумаги (в том числе, с пропиткой ингибиторами, замедляющими процесс термической деструкции), обычной кальки, конденсаторной бумаги; синтетических плёнок (полиамид), термостойкой керамики, стекловолокна, вискозы, полиэфира, полипропилена, полиэтилена и т.д.;
• использование материалов с хорошей теплопроводностью: алюминиевая фольга, фосфористая бронза, керамические материалы с металлическими волокнами.

Особое внимание следует уделить и гибким подводам электричества к катушке. Для этого рекомендуется использовать стандартные провода в изоляции МГТФ, с сечением не более 0,14 мм² — так как они обладают достаточной гибкостью и прочностью, для применения в этих целях. Более подробной информации на этот счёт у меня нет (в том числе, что касается того, какие провода следует использовать для намотки на катушку), при потребности следует дополнительно изучать соответствующую литературу.

Альтернативные звуковые устройства

Если же, несмотря на приведённое выше разнообразие звукоизлучателей вы говорите своё «фи» и вам захочется собрать что-нибудь такое «прям совсем эдакое», то вы можете попробовать обратиться к следующим интересным устройствам, так как звукоизвлечение не упирается только в динамики в колонках;-)

Например, вот здесь ^[4] подробно разобран процесс проектирования и сборки своей собственной 3D печатной звуковой сирены:

Как утверждает сам автор, громкость сирены при тестах составила 115 дБ (соседи явно в восторге:-) ). Там же, по ссылке выше, есть и ссылка на 3D модель этой сирены.

Принцип действия подобных сирен, как говорит ^[5] нам википедия основывается на том, что ротор с отверстиями вращается относительно неподвижного статора, также с отверстиями. Ротор и статор расположены коаксиально. Воздушные потоки, проходящие через отверстия ротора и статора периодически прерываются, и в воздушной среде создаются зоны сжатия и разрежения (т.е звук). Частота звука зависит от расположения отверстий в роторной и статорной части, а также частоты вращения. Какую-либо другую более подробную информацию, а также теорию по проектированию подобных устройств найти мне не удалось, и поэтому, при желании можно попробовать воспользоваться приведённой выше по ссылке 3D моделью и просто масштабировать её пропорционально, при желании создать сирену другого размера. Или же, постараться найти подобную теорию самостоятельно.
Кстати говоря, для сборки сирены не обязательно нужен 3d принтер, — как утверждают некоторые ^[6], её легко собрать даже из консервной банки и ПВХ-трубы.

Кроме того, в одной из прошлых статей ^[7] мы разбирали подводный свисток и трубу Рийке:

И там же, один из читателей подсказал такую интересную вещь как Эолова Арфа ^[8], — которые могут стать достаточно любопытным способом скрасить свой досуг техническим творчеством:

Ещё одним любопытным устройством, с которым приходилось иметь дело, является так называемая «виброколонка». Это, по сути, тот же самый электродинамический преобразователь, только диффузора у него нет, вместо него наружу выведена плоская пластина, представляющая собой единое целое с катушкой, которую можно плотно прижать к какой-либо поверхности, заставив её колебаться совместно с катушкой.

На практике это означает следующее: как правило, покупные виброколонки снабжены присоской, с помощью которой можно её приклеить к стеклу, столу и т.д. Мы в своё время тестировали подобную колонку в офисе, приклеив её на офисное стандартное окно со стеклом от пола до потолка. И «ударили рок в этой дыре». Всё офисное окно превратилось в огромный диффузор колонки, и буквально через пару минут из соседнего кабинета прибежали люди с ошалевшими глазами и вопросом: «вы чего, совсем уже что-ли?!» :-))) Теперь, зная, как работают звукоизлучатели и как они устроены, вы вполне можете попробовать собрать подобную виброколонку самостоятельно.

Подытоживая, можно сказать, что звукоизвлечение является достаточно увлекательным направлением приложения своих усилий, кроме того, изучив различные его принципы, можно создать вполне полезное для себя устройство, которое, к тому же обойдётся в достаточно скромную сумму, а приведённый в статье краткий обзор заводских технологий, позволит, вооружившись этим знанием, более творчески подходить к вопросу самостоятельного проектирования устройств, не ограничиваясь широко известными решениями.

Список использованных источников

1. П. Н. Петров – «Электроакустические преобразователи»
2. И.А. Алдошина – «Электродинамические громкоговорители»
3. Э.Л.Виноградова – «Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками»
4. А.Дольник, М.Эфрусси – «Высококачественные акустические системы»