Звуковая катушка (состоящая из каркаса , воротника и обмотки ) представляет собой катушку провода, прикрепленную к вершине диффузора громкоговорителя . Он обеспечивает движущую силу конуса за счет реакции магнитного поля на ток, проходящий через него.
Этот термин также используется для обозначения линейных двигателей со звуковой катушкой , таких как те, которые используются для перемещения головок внутри жестких дисков , которые создают большую силу и перемещаются на большее расстояние, но работают по тому же принципу. В некоторых приложениях, таких как электронная регулировка фокуса цифровых камер, они известны как двигатели звуковой катушки (VCM).
Пропуская ток через звуковую катушку, создается магнитное поле . Это магнитное поле заставляет звуковую катушку реагировать на магнитное поле постоянного магнита, прикрепленного к корпусу динамика, тем самым перемещая диффузор динамика. Подав звуковой сигнал на звуковую катушку, диффузор будет воспроизводить волны звукового давления , соответствующие исходному входному сигналу.
Поскольку движущиеся части динамика должны иметь малую массу (чтобы точно воспроизводить высокочастотные звуки без слишком сильного затухания по инерции ), звуковые катушки обычно делают максимально легкими, что делает их хрупкими. Прохождение слишком большого тока через катушку может привести к ее перегреву (см. омический нагрев ). Звуковые катушки, намотанные плоским проводом, называемые ленточным проводом , обеспечивают более высокую плотность упаковки в магнитном зазоре, чем катушки с круглым проводом. Некоторые катушки изготовлены из материалов бобины и воротника с уплотнением поверхности, поэтому их можно погружать в феррожидкость , которая помогает охлаждать катушку, отводя тепло от катушки в структуру магнита. Чрезмерная входная мощность на низких частотах может привести к выходу катушки за пределы ее нормальных пределов, вызывая искажения и, возможно, механические повреждения.
Мощность связана с термостойкостью изоляции провода, клея и материала шпульки и может зависеть от положения катушки внутри магнитного зазора. В большинстве громкоговорителей используются «подвесные» звуковые катушки с обмотками, высота которых превышает высоту магнитного зазора. В этой топологии часть катушки всегда остается внутри зазора. Мощность ограничена количеством тепла, которое можно выдержать, и количеством тепла, которое можно отвести от звуковой катушки. Некоторые конструкции магнитов включают алюминиевые теплоотводящие кольца над и под зазором между магнитами для улучшения кондуктивного охлаждения и значительного повышения мощности. Если все остальные условия остаются постоянными , площадь обмоток звуковой катушки пропорциональна потребляемой мощности катушки. Таким образом, звуковая катушка диаметром 100 мм с высотой намотки 12 мм имеет такую же мощность, как и звуковая катушка диаметром 50 мм с высотой намотки 24 мм.
В «подвешенных» конструкциях звуковых катушек (см. ниже) катушка короче магнитного зазора, топология, которая обеспечивает постоянную электродвижущую силу в ограниченном диапазоне движения, известную как X max . Если катушка перегружена , она может выйти из зазора, что приведет к значительным искажениям и потере теплоотводящих свойств стали, что приведет к быстрому нагреву.
Многие Hi-Fi и почти все профессиональные низкочастотные громкоговорители (вуферы) имеют в магнитной системе вентиляционные отверстия, обеспечивающие принудительное воздушное охлаждение звуковой катушки. Насосное действие конуса и пылезащитного колпака втягивает холодный воздух и вытесняет горячий воздух. Этот метод охлаждения основан на движении диффузора, поэтому неэффективен на средних и высоких частотах, хотя вентиляция средних и высокочастотных динамиков действительно обеспечивает некоторые акустические преимущества.
В самых первых громкоговорителях звуковые катушки были намотаны на бумажные бобины, что подходило для скромных уровней мощности. Когда стали доступны более мощные усилители, алюминиевая фольга из сплава 1145 стала широко заменяться бумажными катушками, и звуковые катушки выдержали повышенную мощность. В типичных современных звуковых катушках громкоговорителей Hi-Fi используются материалы, выдерживающие рабочие температуры до 150°C или даже 180°C. Для профессиональных громкоговорителей доступны усовершенствованные термореактивные композитные материалы, которые повышают долговечность звуковой катушки при одновременном суровом термическом (<300°C) и механическом воздействии.
Алюминий широко использовался в производстве акустических систем из-за его низкой стоимости, простоты склеивания и структурной прочности. Когда появились усилители более высокой мощности, особенно для профессионального звука, ограничения алюминия стали очевидны. Он достаточно эффективно, но неудобно передает тепло от звуковой катушки в клеевые соединения динамика, термически разрушая или даже сжигая их. Движение алюминиевой бобины в магнитном зазоре создает вихревые токи внутри материала, которые еще больше повышают температуру, препятствуя долговременной выживаемости. В 1955 году компания DuPont разработала Kapton, полиимидную пластиковую пленку, которая не имела недостатков алюминия, поэтому Kapton, а позже и Kaneka Apical, получили широкое распространение для звуковых катушек. Какими бы успешными ни были эти темно-коричневые пластиковые пленки для большинства звуковых катушек Hi-Fi, они также имели некоторые менее привлекательные свойства, в основном их стоимость и неприятную тенденцию размягчаться при нагревании. Hisco P450, разработанный в 1992 году для решения проблемы размягчения профессиональных динамиков, представляет собой термореактивный композит из тонкой стекловолоконной ткани, пропитанной полиимидной смолой, сочетающий в себе лучшие характеристики полиимида с термостойкостью и жесткостью стекловолокна. Он выдерживает жестокие физические нагрузки и рабочие температуры до 300°C, а его жесткость помогает сохранять «холодную» частотную характеристику динамика.
Фактический провод, используемый для обмотки звуковой катушки, почти всегда медный, с электроизоляционным покрытием, а в некоторых случаях и с клейким слоем. Медный провод позволяет легко изготовить звуковую катушку общего назначения по разумной цене. Если от громкоговорителя требуется максимальная чувствительность или расширенный диапазон высоких частот, можно заменить алюминиевый провод, чтобы уменьшить движущуюся массу катушки. Несмотря на то, что алюминиевая проволока довольно хрупкая в производственных условиях, она имеет около одной трети массы эквивалентного сечения медной проволоки и имеет около двух третей электропроводности. Иногда используется алюминиевый провод с медным покрытием, что позволяет упростить намотку, а также значительно уменьшить массу катушки по сравнению с медью.
Можно использовать плоский провод из анодированного алюминия , обеспечивающий изолирующий оксидный слой, более устойчивый к пробою диэлектрика , чем эмалевые покрытия на другом проводе звуковой катушки. Это создает легкие звуковые катушки с низкой индуктивностью, идеально подходящие для использования в небольших динамиках с расширенным диапазоном действия. Основным ограничением мощности таких катушек является температура термического размягчения клея, который соединяет проволоку с бобиной или бобину с крестовиной и катушкой.
Звуковые катушки могут использоваться не только в громкоговорителях, где необходимы линейность силы времени и длинные ходы. Некоторые среды, такие как вакуум или космос, требуют особого внимания во время зачатия, чтобы устранить потери в катушках. Для облегчения теплоотвода можно использовать несколько конкретных методов.
На изображении выше показаны два способа погружения звуковой катушки в магнитное поле. Наиболее распространенным методом является подвесная конструкция, в которой высота звуковой катушки больше высоты магнитного зазора. Подвесная конструкция, которая используется в основном в высококачественных колонках, имеет высоту катушки меньше, чем зазор . Ниже перечислены различия, преимущества и недостатки обоих методов.
Обе топологии преследуют одну и ту же цель: линейная сила, действующая на катушку, для драйвера, который точно воспроизводит подаваемый сигнал.
Термин «звуковая катушка» был обобщен и относится к любому гальванометрическому механизму, который использует соленоид для перемещения объекта вперед и назад в магнитном поле.
В частности, это слово обычно используется для обозначения катушки провода, которая перемещает головки чтения и записи в дисководе с подвижной головкой . В этом случае очень легкая катушка с проводами монтируется в сильном магнитном поле, создаваемом постоянными редкоземельными магнитами . Звуковая катушка — это моторная часть сервосистемы , которая позиционирует головки: электрический управляющий сигнал приводит в движение звуковую катушку, и возникающая в результате сила быстро и точно позиционирует головки.