A hang, ami körülvesz minket - a mobiltelefonoktól a televíziókon át a liftekig - mind hangszórók segítségével jut el hozzánk. De vajon hogyan is működnek pontosan ezek az eszközök, és milyen szerepet játszik ebben a hangtekercs, különösen annak átmérője? Ahogy az alábbi képen látható egy 1 kHz-es szinuszhullám, a hangnyomás szintje a környezeti nyomáshoz képest növekszik, majd csökken. Fülünkben több ezer apró szőrsejt reagál ezekre a nyomásváltozásokra, és elektromos jellé alakítja őket, amelyet agyunk képes értelmezni. Ez a cikk részletesen bemutatja a hangszórók működését, a tekercsek alapjait, paramétereit és alkalmazásait, különös tekintettel a tekercsátmérő jelentőségére.
A Hangszórók Működési Elve
A hangszóró egy komplex rendszer, amelynek szíve a hangszóró meghajtó, felelős az elektromos jel hanghullámokká történő átalakításáért. Az analóg hangjel, mint elektromos energia formájában megjelenő hang, feszültséghullámformaként jelenik meg. Ezt a felerősített hangjelet küldik egy fémhuzal tekercsre. A membrán mozgatja a levegőt, és olyan hanghullámokat hoz létre, amelyek az eredeti hangjel pontos másolatát alkotják. Ez persze egy vad leegyszerűsítés, de az alapelvet jól szemlélteti.
A Hangszóró Alkatrészei
Egy tényleges hangszórót számos alkatrész alkot:
- Hangtekercs: Ez egy drót, amely szorosan egy apró henger köré van tekerve, amelyet néha orsónak is neveznek. Ahhoz, hogy a hangtekercs a kívánt módon működjön, elektromos jelet kell küldeni neki. A hangtekercs mágneses impulzusaira reagálva a kúp előre-hátra mozog.
- Mágnes: A hangszóró pólusdarabja olyan, mint egy karmesteri pálca, amely szinkronban tartja a hangszórón keresztül áramló hangzást. Ha emlékszünk a természettudományos órákra, a hasonló erők taszítanak, az ellentétes erők pedig vonzanak.
- Membrán (kúp): A kúp a hangtekercs mozgására reagálva hozza létre a hanghullámokat.
- Pók: A pók egy hullámos anyagdarab, amely a hangtekercset tartja. Fő szerepe az, hogy a hangtekercs csak egy irányba mozogjon; nevezetesen felfelé és lefelé.
- Ház (burkolat): Ez egy divatos kifejezés arra a házra, amely a hangszóró alkatrészeket összetartja. A ház burkolata vastag anyagból készült, amely nem túl rugalmas.
- Elsősorban enyhíti a fázistörlést. Ahogy a hangszóró membránja mozog, mindkét irányban hanghullámokat hoz létre.
- Másodszor, a burkolat befolyásolja a hang eloszlását.
Teljesítmény és Érzékenység
A legtöbb ember a hangszórók összehasonlításakor a nagyobb teljesítményt (wattban) a nagyobb hangerőnek tulajdonítja. Azonban ez nem mindig van így. A hangszórók összehasonlításának jobb módja a hangszórók érzékenységének vizsgálata. A magasabb érzékenységi besorolás azt jelenti, hogy a hangszóró adott teljesítmény mellett több hangot képes kiadni. Fontos azonban figyelembe venni a hangszóró képességét a teljesítmény kezelésére, ha külső erősítőt használunk. Az, hogy magas vagy alacsony érzékenységű hangszórókat választunk, a beállítás követelményeitől függ.
A teljesítményerősítőt arra használják, hogy a jelet vonalszintről hangszórószintre emeljék. Ezért láthatunk hatalmas hangszóróhalmokat a koncerteken. A több meghajtós hangszórók 2, 3 vagy akár 4 különböző méretű meghajtót használnak a különböző frekvenciák kezelésére. A kettős meghajtású hangszórók alkalmasak a saját stúdióban történő felvételhez és keveréshez, és ugyanez vonatkozik a kereskedelmi hangstúdiókra is.
Hangszóró Impedancia
Ohmban mérve az impedancia a hangtekercs huzalának ellenállásából és a huzal tekercsbe tekercselése által okozott induktivitásból adódik. Fontos a hangszórók és az erősítő impedanciájának összehangolása. Ez a megfelelő működés és a berendezés élettartamának szempontjából kulcsfontosságú.
Understanding Speaker Impedance and Speaker Switches
A Tekercsek Általános Tudnivalói
A tekercsek nem csupán hangszórókban találhatóak meg; széles körben alkalmazzák őket elektromos generátorokban, villanymotorokban és különféle iparágak termékeiben, mint például nyomtatott áramköri lapokon, mobiltelefon-töltőkben és antennákban.
A tekercs alapvetően egy sokszor körbetekert elektromos vezeték. Sok terméknek van olyan alakja, mint egy tekercsnek, például a rugók; az elektromos áramkörökben használt ilyen termékeket pedig szó szerint tekercsnek (induktornak) hívják. Ez a típus könnyen tekercselhető, és gyakran használják.
Tekercstípusok és Előállításuk
A tekercset egy lapra vagy NYÁK-ra laminált több vezető réteg is alkothatja. Más esetekben a tekercset katódporlasztásos vagy leválasztásos módszerrel előállított, a nyomtatott vezetékeknél is vékonyabb fémfólia alkotja. A tápegységek áramköreiben használt tekercseket fojtótekercseknek nevezzük, és ezekkel a tekercsekkel bizonyos frekvenciájú jelek kinyerhetők.
Manapság a tekercsek többségét, különösen az áramkörökben használt fojtókat SMT-szerelés céljából készítik. Az alacsony frekvencián történő működésre tervezett tekercseknek általában vasmagja van és nagy a tekercselt fordulatok száma, így viszonylag nehézzé válnak.
Elektromos Alapfogalmak és a Tekercsek Helye
Az elektromos eszközök elektromos árammal működnek. Ahhoz, hogy valami folyni tudjon, kell egy kiindulópont és egy megérkezési hely. Két ilyen hely potenciáljának a különbségét nevezzük elektromos feszültségnek, aminek U a jele és volt a mértékegysége. Fontos észrevenni, hogy nem mindegy, hogy a két pont melyike a kezdőpont és melyike a végpont; ettől függően a feszültség lehet pozitív és negatív is.
Minden anyag, amit le tudunk gyártani, kissé érdes, és a rajtuk áthaladni akaró elektronok beleütköznek, lelassulnak. Ezt nevezzük elektromos ellenállásnak. Egy huzalnak az ellenállása arányos a hosszával és fordítva arányos az átmérőjével. Minél nagyobb az ellenállás, annál kevésbé tud folyni az áram. Az áram akkor tud folyni, ha van egy ösztönző erő, ami a feszültség.
A tekercs egy darab vezeték körkörösen - nos, feltekercselve. Az elektromos áram egy erőteret hoz létre maga körül, és tekercsel ezt az erőteret lehet felerősíteni. Ellentétben a kondenzátorral, a tekercs egyfajta katapultként gyorsítja a rajta áthaladó elektronokat, nem pedig megakadályozza a továbbfolyásukat. A tekercsek elektromos hatását (azt, hogy milyen nagy elektromos teret tud létrehozni) indukciónak nevezzük, mértékegysége a henry.
Tekercs Átmérő és Ellenállás a Hangszórókban
Egy felhasználó által felvetett probléma jól rávilágít a tekercs átmérőjének fontosságára: "igen vékony (0.1mm) es részdrótot használok aminek 1m ellenállása 2.3 ohm körüli. Hogy oldják meg a hangszóróknál azt a rengeteg menetnél több méter hosszan hogy a tekercs ellenállása 4-8 ohm legyen?"
A megoldás a huzal átmérőjében rejlik. A 2mm-es huzalnak a lista szerint méterenként 0.0056 ohm az ellenállása, ami sokkal alacsonyabb. Bár ez vastagnak tűnik, a hangszórók általában 0.20 és 0.50mm átmérőjű huzalokkal vannak tekerve, teljesítménytől függően.
A tekercs ellenállása fordítottan arányos az átmérőjével. Ez azt jelenti, hogy vastagabb huzal használatával, még sok menet esetén is alacsonyan tartható a teljes ellenállás. Például, ha a lengő kerületét beszorozzuk a menetszámmal, megkapjuk a huzal hosszát. Ha egy 314mm kerületű tekercs 118 menetet tartalmaz, az 37052mm, azaz 37,052 méter huzalt jelent. Ennél a hossznál egy vastagabb huzal elengedhetetlen a kívánt 4-8 ohm impedancia eléréséhez.
Rétegek és Teljesítmény
A hangszóró tekercsét gyakran több részre osztják. Felmerül a kérdés, mi a különbség két egyforma 2 és 4 rétegű hangszóró között. A 4 rétegű lengőnek sokkal nagyobb a légrése, gyengébb a mágneses térerő, érzéketlenebb a szóró, nehezebb a mozgószerkezet. Bár a vastagabb drót végett nagyobb a terhelhetősége, igazán semmi értelme nem sok van. Komoly szórók vagy 2 rétegű, vagy fazonhuzalos lengővel készülnek. A tekercsek felosztása más célokat szolgálhat, például a csillapító hatás optimalizálását a mechanikai oldalon.
A Tekercs Paraméterei és Jellemzői
Az indukciós tekercs egy olyan elem, amely mágneses térként tárolja az energiát a magban, így az elektromos áram energiáját mágneses tér energiájává változtatja, vagy fordítva. A tekercseken átáramló áram változása elektromotoros erő keletkezéséhez vezet abban az irányban, amely ellensúlyozza ezt a változást. Hasonlóképpen, a magba behatoló változtatható mágneses mező feszültség indukciót okoz.
A tekercs alapvető paraméterei az induktivitás és a rezonancia frekvencia. Az induktivitás más szóval a tekercs azon képessége, hogy az áram áramlása miatt mágneses tér formájában tárolja az energiát.
Az ábra a tekercs termináljainak áram- és feszültségesését ábrázolja. A folytonos piros vonal az áram áramlását szemlélteti. Az áram az áramellátás után növekszik, amíg el nem éri az Ohm-törvény által meghatározott csúcsértéket, vagyis a terminálon a feszültség és a tekercs ellenállás arányának értékét. A szaggatott kék vonal szemlélteti a tekercs feszültségesését. Az áramellátás pillanatában a legnagyobb a csökkenés, és a legkisebb, miután az áram eléri a csúcsértékét.
A Mag Fontossága
Az indukciós tekercs nagyon fontos eleme a magja. A magot a felhasznált anyag típusa és a hozzá kapcsolódó relatív mágneses permeabilitás jellemzi. A mágneses permeabilitás egy adott anyag vagy közeg azon képessége, hogy a mágneses indukciót a mágneses térerősség változásával együtt megváltoztassa.
Miért használnak magokat?
- Energia tárolás: A magnak köszönhetően több energiát lehet tárolni kevesebb fordulattal, mint egy egyenértékű légmag esetén.
- Mechanikai felépítés: A mag támogatja a huzalfordulásokat, és lehetővé teszi a megfelelő felszerelést a céleszközbe.
- Mágneses tér koncentrációja és vezetése: A mag segít koncentrálni és vezetni a mágneses teret.
Understanding Speaker Impedance and Speaker Switches
Valós Tekercsek Jellemzői és Vesztességei
Az ideális tekercs elméleti modellje mellett a valóságban figyelembe kell venni bizonyos tényezőket. Egy valódi tekercs egyenértékű egyenáramú sémája magában foglalja a tekercshuzal ellenállását ábrázoló ellenállást, amely sorosan csatlakozik a tekercsfordulatokhoz. Ez az ellenállás feszültségesést és energiaveszteséget okoz hő formájában, ami a tekercs túlmelegedését és a magparaméterek megváltoztatását okozhatja.
Váltakozó áramú elemzés esetén figyelembe kell venni a vezető szigeteletlen rétegei által létrehozott parazita kapacitást is. Ezért az egyenértékű diagram az ellenállástól eltekintve tartalmaz egy, a tekercs kivezetéseivel párhuzamosan kapcsolt kondenzátort is. Így RLC áramkör jön létre, és maga a tekercs induktív, mielőtt elérné a rezonancia frekvenciát, majd annak elérése után kapacitívvé válik. Egy valódi tekercs váltása induktívból kapacitívvá a rezonancia frekvencia elérése után történik.
A tekercsek alkalmazásában az energiaveszteség három domináns típusát vesszük figyelembe:
- Soros ellenállásban bekövetkező veszteség: Ez a tekercselő vezetékben fellépő veszteség, különösen nagy áramerősség esetén jelentős. Ez a tápegységek és áramkörök leggyakoribb energiavesztesége, és a tekercs, illetve az egész eszköz túlmelegedését okozza.
- Magban fellépő veszteség: Ezek a kivitelezés szabálytalanságainak, az örvényáramok előfordulásának és a mágneses tartományok helyzetének változásainak következményei. Az ilyen veszteségek akkor dominánsak, ha a tekercsen keresztül áramló áram alacsony amperértékű, és nagyfrekvenciájú áramkörökben, digitális jelelválasztókban fordulnak elő.
- Dielektromos veszteség: Ez a parazita kapacitásokhoz kapcsolódó veszteség.
Tekercsek a Jövőben
A hangszórók az egyik legkevésbé hatékony technológia, amelyet ma használunk. A hangszóróba kerülő energia több mint 99%-a nem hangot, hanem valami mást generál. A technológia azonban folyamatosan fejlődik. A grafén rendkívül könnyű anyag, ami azt jelenti, hogy sokkal kevesebb energiára van szüksége az oda-vissza mozgáshoz, hogy nyomáshullámot hozzon létre. Ez az anyag potenciálisan forradalmasíthatja a hangszórók hatékonyságát.
Az elektronikai tervezőknek néha „analóg” elemeket, például ellenállásokat, kondenzátorokat vagy indukciós tekercseket is fel kell használniuk, annak ellenére, hogy a digitális áramkörök széles körben elterjedtek. Érdekes, hogy egy ellenállást vagy egy kondenzátort viszonylag könnyen be lehet építeni az integrált áramkör struktúrájába, egy indukciós tekerccsel ugyanezt megtenni kifejezetten nehéz. Éppen ezért sok elem felhasználási megjegyzése az indukciós tekercset még mindig a készlethez hozzáadott külső komponensként említi.
A Transfer Multisort Elektronik (TME) a világ egyik legnagyobb elektronikai alkatrész-, elektrotechnikai eszköz-, műhelyfelszerelés- és ipari automatizálás-disztribútora, katalógusa több mint 1 300 000 terméket tartalmaz 1 300 vezető gyártótól. Ez is mutatja, milyen széles körű és komplex a tekercsek világa, és milyen sokféle igényre kell megoldást találni.
A tekercsek alkalmazása és a tekercsátmérő optimalizálása kulcsfontosságú a hangszórók és más elektromos eszközök hatékonysága és teljesítménye szempontjából, mind a jelenben, mind a jövőben.