Tipuri de difuzoare

Difuzorul electromagnetic. Acest tip de difuzor a fost utilizat pe scară foarte largă. Mecanismul unui difuzor electromagnetic cu armătură vibrantă simplă se compune dintr-un magnet permanent, de care are fixată o armătură din fier moale, elastică (fig. 2.1).

Între unul din polii magnetului, de exemplu între polul nord şi armătura elastică, datorită acţiunii pe care o exercită un cîmp magnetic asupra unui material feromagnetic, se naşte o forţă de atracţie. Dacă în bobina montată pe magnet circulă un curent alternativ de audiofrecvenţă, în funcţie de sensul acestui curent, fluxul dat de bobină se va aduna sau se va scădea din fluxul magnetic total. Deci, şi forţa de atracţie va fi mai mare sau mai,mică, iar armătura elastică va începe să vibreze şi, fiind legată de o membrană, o va pune pe aceasta în mişcare. Se produc în acest mod unde acustice.

O perfecţionare adusă acestui tip de difuzor se poate vedea în fig, 2.2. În lipsa unui curent alternativ, armatura mobila de fier este în echilinbru, deoarece forţele de atracţie dintre armătură şi piesele polare sînt egale şi de semn contrar. Dacă în bobine circulă un curent, fluxul suplimentar produs de acesta va face ca forţele de atracţie să devină neegale şi deci armătura se va înclina într-un sens. Dacă se inversează sensul curentului, fluxul îşi va schimba şi el semnul, şi armătura se va înclina în sens invers. Dacă în bobine circulă un curent de audiofrecvenţă, armătura va începe să vibreze în acelaşi ritm ca şi acesta şi va acţiona în acelaşi timp membrana care va radia unde acustice.

În fig. 2.3 se prezintă aspectul unui difuzor electromagnetic cu radiaţie directă, precum şi caracteristica lui de frecvenţă.

Difuzorul electromagnetic are un randament destul de bun şi un preţ de cost destul de redus. Din această cauză el a fost utilizat aproape în exclusivitate la echiparea primelor radioreceptoare. Astăzi, datorită faptului că acest difuzor nu poate reproduce o bandă prea largă de frecvenţe (în special frecvenţele joase mai mici decît 200 Hz) şi deoarece prezintă rezonanţe parazite datorită armăturii mobile şi distorsiunii relativ mari, se utilizează foarte puţin.

Difuzorul eletrodinamic. Deşi acest tip de difuzor a fost realizat pentru prima dată în anul 1889, el nu s-a impus decît în ultimii 30—40 ani. In momentul de faţă difuzorul electro- dinamic este universal acceptat şi echipează practic toate receptoarele de radio şi televiziune. Calităţile care au făcut ca acest difuzor să fie atît de răspîndit sînt: uşurinţa de adaptare la tuburile electronice, deoarece impedanţa variază destul de puţin cu frecvenţa. în comparaţie cu celelalte tipuri de difuzoare; posibilitatea de a fi realizat uşor în serie şi la un preţ de cost relativ scăzut; performanţe bune.

Principiul de funcţionare se bazează pe acţiunea forţelor dinamice asupra unui conductor parcurs, de curent, cînd acesta se află într-un cîmp magnetic. Astfel, dacă printr-o bobină care se poate mişca liber într-un cîmp magnetic radial constant trece un curent, paralel cu axa bobinei ia naştere o forţă care acţionează asupra acesteia (fig. 2.4).

Dacă prin bobină circulă un curent alternativ, forţa este în orice moment proporţională cu valoarea instantanee a intensităţii curentului şi îşi schimbă sensul la fiecare semialternanţă. Bobina se va mişca deci în întref’ier paralel cu axa ei, cu aceeaşi frecvenţă ca şi a curentului care o traversează.

Bobina mobilă constituie motorul difuzorului, adică dispozitivul care asigură transformarea energiei electrice, în energie mecanică. Energia mecanică este transformată în energie acustică, cu ajutorul unei membrane conice, legată solidar cu bobina mobilă si care produce unde acustice. Acest tip de difuzor este cu radiaţie directă, deoarece membrana radiază direct în aer. Datorită diferenţei mari de densitate dintre membrană şi aer, membrana va fi încărcata foarte puţin din punct de vedere acustic. Transferul de putere fiind mic, difuzoarele cu radia’ţie directă vor avea un randament foarte scăzut (de ordinul a 0,5% pînă la 8%). Deci, un difuzor avînd o putere electrică, de exemplu, de 4 W şi un randament de 1%, va radia o putere acustică de 0,04W (40 mW).

Pentru producerea puterilor acustice de ordinul zecilor de waţi necesare la sonorizarea unor spaţii mari (de exemplu, stadioane), utilizarea difuzoarelor cu radiaţie directă nu este economică, deoarece în acest caz puterea electrică a instalaţiilor ar trebui să fie foarte mare. Dacă ia puteri mic randamentul trece pe planul al doilea faţă de liniaritatea în bandă, la puteri mari, realizarea unui randament ridicat este o necesitate tehnică-economică. În acest caz se vor utiliza difuzoare cu pîlnie, care se deosebesc de difuzoarele cu radiaţie directă prin modul de cuplaj cu aerul, cuplaj care se realizează prin intermediul pîlniei.

O pîlnie acustică este constituită dintr-un tub cu secţiune continuu variabilă. în funcţie de modul cum variază această secţiune, pîlniile pot avea diferite forme: exponenţială, parabolică, conică, hiperbolică (fig. 2.5). Dintre acestea pîlniile parabolice se utilizează mai rar.

Capătul pîlniei cu secţiunea cea mai mică se numeşte gîtul pîlniei, iar capătul cu secţiunea cea mai mare — gura pîlniei. Pîlniile cu deschidere bruscă nu redau bine frecvenţele joase. Din această cauză, pentru redarea frecvenţelor joase sînt necesare pîlnii cu deschidere lentă; lungimile pîlniilor pot ajunge astfel foarte mari. Pentru ca difuzorul să nu ocupe un spaţiu prea mare, se poate utiliza o construcţie concentrică, aşa cum se vede în fig. 2.6. Din gîtul pîlniei, unde acţionează membrana, mişcarea se transmite progresiv către gura ei, punîndu-se astfel în vibraţie mase din ce în ce mai mari de aer, pe măsură ce diametrul creşte. În acest caz se realizează o lungime efectivă a pîlniei, de aproximativ trei ori mai mare decît lungimea exterioară a întregului difuzor cu pîlnie.

Deci, cu ajutorul pîlniei se produce o transformare şi o adaptare de impedanţă acustică şi randamentul poate creşte pînă la valori deordinul a 50% sau chiar mai mult. Puterea electrică de audiofrecvenţă poate fi de 50 ori mai mică decît în cazul difuzoarelor cu radiaţie directă.

Difuzoarele de diverse tipuri pot fi utilizate cu pîlnie pentru creşterea randamentului. Trebuie să remarcăm că difuzoarele cu pîlnie nu pot da o reproducere de bună calitate, ca cele cu radiaţie directă; pentru redarea frecvenţelor joase de ordinul a 50 Hz ar fi necesare lungimi ale pîlniilor foarte mari (4—6 m), ceea ce este ueeconomic şi greu de realizat practic.

S-a arătat, că la difuzoarele uzuale forţa motoare se aplică vîrfului membranei, prin intermediul bobinei mobile. Membrana, acţionată în acest fel, se deplasează ca un piston înainte şi înapoi. Acest mod de lucru, valabil pentru frecvenţe joase, nu mai este valabil la frecvenţe înalte, tinde datorită faptului că membrana are diverse moduri de vibraţii, caracteristica de frecvenţă capătă o alură foarte neregulată.

Există diverse sisteme care remediază acest defect principial al difuzorului electrodinamic cu bobină mobilă, de a .aplica forţa într-un singur punct al membranei. Astfel, la difuzorul cu bandă (fig. 2.7) forţa se aplică uniform asupra tuturor punctelor benzii care radiază. Acest difuzor se compune dintr-o bandă ondulată de aluminiu plasată într-un cîmp magnetic. Atunci cînd prin bandă circulă un curent, sub acţiunea cîmpului magnetic, ea se poate mişca liber.

Dimensiunile mici ale benzii şi amplitudinile mici permise (din cauza fragilităţii ei, a dificultăţii de a obţine un cîmp magnetic omogen într-un întrefier suficient de mare) limitează aplicaţiile acestui difuzor numai la frecvenţele înalte (mai mari decît 3 000 Hz). Chiar şi în acest caz, pentru a mări randamentul difuzorului, trebuie să utilizeze o pîlnie exponenţială sau hiperbolică.

Un alt tip de difuzor electrodinamic care s-a realizat în ultimul timp, şi la care forţa se aplică uniform asupra tuturor punctelor diafragmei, este difuzorul ortofazic (fig: 2.8). Deocamdată, însă, şi acest timp de difuzor – ca şi cel cu bandă – este în fază experimentală, nefiind realizat pe scară industrială.

Difuzorul electrostatic. În ultimul timp, difuzorul electrostatic a început să fie folosit pe scară largă, obţinîndu-se performanţe foarte bune.

Principiul de funcţionare a difuzorului electrostatic se bazează pe atracţia sarcinilor electrice de semn contrar, respectiv respingerea sarcinilor de acelaşi semn. În fig. 2.9 se prezintă, schematic, cel mai simplu difuzor electrostatic. El este compus dintr-o membrană subţire şi conductoare M, aşezată faţă în faţă cu o placă de metal rigidă P. Membrana şi placa formează cele două armături ale unui condensator. Dacă între aceste armături
(electrozi) se. conectează o baterie, membrana şi placa se vor încărca cu electricitate de sens contrar. Între ele ia naştere o forţă statică de atracţie, deci membrana se va apropia de placă şi va fi tensionată mecanic.

Semnalul de audiofrecvenţă este aplicat difuzorului electrostatic prin intermediul urfui transformator. Tensiunea alternativă se va suprapune peste cea continuă. La o creştere a tensiunii aplicate electrozilor, corespunde o micşorare a distanţei dintre aceştia.ÎIn semiperioada următoare se va produce o micşorare a tensiunii şi deci electrozii se vor îndepărta. Prin urmare, membrana va vibra în ritmul tensiunii de audiofrecvenţă.

Trebuie să precizăm, că la acest tip de difuzor se produc distorsiuni destul de importante, care pot fi micşorate dacă tensiunea alternativă aplicată este mult mai mică decît tensiunea continuă. De asemenea, deoarece forţa variază invers proporţional cu pătratul distanţei dintre membrană şi placă, cînd acestea dotiă se vor apropia, forţa va creşte foarte mult, periclitînd stabilitatea sistemului (membrana se poate lipi de placă). Pentru ca stabilitatea sistemului să fie asigurată, membrana trebuie tensionată mult şi, în acest fel frecvenţa ei proprie de rezonanţă va creşte. Din acest din urmă motiv, şi din cauza distorsiunilor, difuzoarelor electrostatice se utilizează numai pentru partea superioară a spectrului sonor, astfel încît armonicile să cadă peste limita frecvenţelor audibile.

O îmbunătăţire considerabilă a difuzorului electrostatic a constituit-o apariţia difuzorului electrostatic în contratimp (fig. 2.10). El se compune din două plăci metalice perforate, fixe, între care poate vibra o membrană foarte subţire şi foarte uşoară, dintr-un material plastic (d. ex. polietilenă), metalizată pe ambele feţe. Aerul împins de membrană la dreapta şi la stînga trebuie să poată circula prin. găurile plăcilor laterale, deci, din punct de vedere acustic, acestea trebuie să fie „transparente”. Pentru aceasta, suprafaţa găurilor trebuie să reprezinte cel puţin 30% din întreaga suprafaţă a plăcii.

Între plăcile laterale şi membrana centrală se aplică o tensiune continuă E (fig. 2.10, a) prin intermediul unei rezistenţe R de foarte mare valoare (zeci de megohmi). Din această cauză, membrana se va încărca, de exemplu, pozitiv, iar plăcile laterale, negativ. În acest fel iau naştere forţe de atracţie între membrană şi plăci. Dacă membrana este aşezată la mijlocul distanţei dintre placi, cele două forţe statice F1 şi F2 care au luat naştere, fiind egale şi de sens opus, nu vor avea .nici un efect asupra membranei, care va rămîne nemişcată.. Dacă peste tensiunea continuă se aplică o tensiune alternativă (fig. 2.10, b), sarcinile electrice se vor redistribui, şi cele două forţe nu vor mai fi egale. În cazul polarităţii arătate pe figură, forţa F2 va fi mai mare decît F1 deci membrana se va deplasa spre drepta. În perioada imediat următoare, cînd tensiunea alternativă îşi schimbă semnul, adică va fi — (minus) la stînga şi + (plus) la dreapta, membrana se va deplasa spre stînga. În acest fel ea va urmări semnalul electric alternativ.

Difuzorul electrostatic prezintă cîteva avantaje: forţa de acţionare se aplică întregei suprafeţe a membranei; masa membranei este foarte mică şi, din această cauză aceasta nu va avea inerţie la frecvenţele înalte, pe care le poate reproduce în condiţii foarte bune; caracteristica de frecvenţă nu are vîrfuri şi adîncituri ca la celelalte tipuri de difuzoare şi este foarte netedă; distorsiunile de nelini ar itate sînt foarte mici.

Dezavantajele acestui tip de difuzor constau în încărcarea acustică a membranei la frecvenţele joase şi in dificultatea adaptării la amplificator a sarcinii capacitive prezentate de difuzor. Datorită acestor cauze, realizarea unui difuzor care să reproducă şi frecvenţele joase, în stadiul actual, este destul de dificilă; rezultă dimensiuni foarte mari pentru difuzor, iar amplificatorul de putere trebuie să fie de foarte bună calitate şi destul de mare.

Deoarece difuzorul electrostatic reproduce foarte bine frecvenţele înalte (mai mari decît 1 000 Hz), el se foloseşte frecvent pentru reproducerea părţii superioare a spectrului sonor, împreună cu un difuzor de alt tip (de ex. electrodinamic), care reproduce frecvenţele joase (fig. 2.11).

Difuzorul piezoelectric este folosit în special pentru reproducerea frecvenţelor înalte. El constă dintr-un cristal legat rigid cu o membrană. Tensiunea de audiofrecvenţă se aplică cristalului; datorită efectului piezoelectric, cristalul, sub acţiunea cîmpului electric alternativ, va vibra şi va pune în mişcare membrana care, la rîndul ei, va radia unde acustice în aer.

Deoarece acest tip de difuzor are o impedanţă foarte mare (de ordinul a 100 kΩ) şi, deoarece oscilaţiile cristalelor nu pot avea amplitudini prea mari, puterile acustice care se poţ radia sînt relativ mici.
Difuzorul magneiostrictiv se foloseşte numai în domeniul frecvenţelor mai mari decît 20 000 Hz (ultrasunete). Principiul lui de funcţionare se bazează pe efectul magnetostrictiv, adică pe proprietatea materialelor feromagnetice de a suferi deformaţii sub acţiunea unui cîmp magnetic.

Difuzorul cu efect, Corona. Între două conductoare aflate la o mare diferenţă de potenţial pot apărea descărcări electrice, caracterizate prntr-o peliculă luminescentă la suprafaţa conduotorului. Particulele de aer sînt puse în mişcare cil ajutorul acestei descărcări. În fig. 2.12, a se arată schematic cele două conductoare (în cazul de faţă un vîrf şi o suprafaţă) între care se aplică o tensiune continuă.

În jurul conductorului ascuţit se montează un conductor inelar care are un rol similar cu grila unui tub electronic. Între aceste ultime două conductoare se aplică o tensiune alternativă, care face să se producă o descărcare electrică între vîrf şi suprafaţă. Pentru a face ca descărcarea să se producă în decursul ambelor alternanţe ale tensiunii alternative şi în ambele direcţii, se înlocuieşte suprafaţa cu un al doilea vîrf (fig. II.12, b). În acest caz, particulele de aer se vor mişca în ritmul tensiunii alternative şi dacă aceasta are o frecvenţă audio, se va auzi un sunet. În fig. 2.12, c se poate vedea un sistem de funcţionare mai perfecţionat al difuzorului cu efect Corona (sistem în contratimp), cu două inele. Difuzorul prezintă însă mai mult un interes ştiinţific decît practic, datorită greutăţii de realizare a tensiunilor mari care se cer pentru producerea efectului Corona.

Ionofonu. Un ultim tip de difuzor care, ca şi cel anterior, nu are tnembrană care să radieze undele acustice, forţele de acţionare aplicîndu-se direct particulelor de aer, este ionofo- nul. Principiul de funcţionare a acestui tip de difuzor se bazează pe deplasarea ionilor sub acţiunea unui cîmp electric. Dacă acesta este alternativ, mişcarea oscilatorie a aerului va, produce sunete. Acest sistem nu poate funcţiona însă în bune condiţii la frecvenţe joase mai mici decît 500 Hz.