Главной электрической характеристикой динамика динамического громкоговорителя является его электрическое сопротивление как функция частоты . Его можно визуализировать, построив график , называемый кривой сопротивления.
Наиболее распространенный тип драйвера — электромеханический преобразователь, использующий звуковую катушку , жестко соединенную с диафрагмой (обычно конусом ). Другие типы имеют похожие соединения, хотя и различающиеся в деталях, между их акустической средой и их электрическими свойствами.
Звуковая катушка в драйверах с подвижной катушкой подвешена в магнитном поле , создаваемом структурой магнита громкоговорителя . Когда электрический ток протекает через звуковую катушку (от электронного усилителя ), магнитное поле, создаваемое катушкой, реагирует на фиксированное поле магнита и перемещает звуковую катушку (и, следовательно, диффузор). Переменный ток будет перемещать диффузор вперед и назад.
Движущаяся система громкоговорителя, состоящая из конуса, подвески конуса, крестовины и звуковой катушки, может быть смоделирована как эффективная масса (система пружина-масса) , масса, подвешенная пружиной. Эта система имеет характерную массу и жесткость , а также резонансную частоту, на которой система будет свободно вибрировать.
Эта частота известна как «резонанс свободного пространства» громкоговорителя и обозначается F s . На этой частоте звуковая катушка вибрирует в магнитном поле громкоговорителя с максимальной амплитудой и скоростью от пика до пика . Обратная ЭДС, создаваемая этим движением, также максимальна. Электрический импеданс громкоговорителя изменяется в зависимости от обратной ЭДС и, следовательно, от применяемой частоты. Импеданс достигает своего максимума при F s , что показано на графике как Z max .
Для частот чуть ниже резонанса импеданс быстро растет по мере увеличения частоты до F s и имеет индуктивный характер. При резонансе импеданс чисто резистивный . По мере увеличения частоты выше F s импеданс падает — он ведет себя емкостно . Импеданс достигает минимального значения Z min на некоторой частоте, где поведение является довольно резистивным в некотором диапазоне. Номинальный импеданс динамика ( Z nom ) выводится из этого значения Z min , которое поясняется далее.
За точкой Z min импеданс снова в значительной степени индуктивный и продолжает постепенно расти с частотой. Частота F s и частоты выше и ниже ее, где импеданс 1/√ 2 Z max важны для определения параметров T/S громкоговорителя . Их можно использовать, например, для проектирования подходящего корпуса для драйвера, особенно для низкочастотных драйверов. Фактически F s сам по себе является одним из параметров Тиле/Смолла.
Изменение сопротивления громкоговорителя учитывается при проектировании усилителя звука . Помимо прочего, усилители, разработанные для работы с такими изменениями, более надежны. При подборе громкоговорителя к усилителю следует учитывать два основных фактора.
Это минимальное значение в зависимости импеданса от частоты, которое всегда выше сопротивления постоянного тока звуковой катушки, т. е. измеряется омметром . Минимальное сопротивление имеет значение, поскольку чем ниже импеданс, тем выше должен быть ток при том же напряжении возбуждения. Выходные устройства усилителя рассчитаны на определенный максимальный уровень тока, и при его превышении устройство(а) иногда, более или менее быстро, выходят из строя.
Из-за реактивной природы импеданса динамика в диапазоне звуковых частот, присвоение динамику единственного значения для рейтинга «импеданса» в принципе невозможно, как можно предположить из кривой зависимости импеданса от частоты выше. Номинальный импеданс динамика — это удобная однозначная числовая ссылка, которая приблизительно описывает значение импеданса динамика в большинстве диапазонов звуковых частот. Номинальный импеданс динамика определяется как:
На графике показана кривая импеданса одного динамика громкоговорителя в свободном пространстве (не установленного в корпусе любого типа). Домашняя система громкоговорителей hi-fi обычно состоит из двух или более динамиков, электрической кроссоверной сети для разделения сигнала по частотным диапазонам и направления их соответствующим образом к динамикам, а также корпуса, в котором установлены все эти компоненты. Кривая импеданса такой системы может быть очень сложной, и простая формула выше не так легко применима.
Номинальный импеданс потребительских акустических систем может помочь в выборе правильного динамика для данного усилителя (или наоборот). Если домашний усилитель hi-fi указывает нагрузку 8 Ом или более , следует позаботиться о том, чтобы не использовать динамики с более низким импедансом, чтобы усилителю не пришлось выдавать больше тока, чем он рассчитан. Использование акустической системы 4 Ом на усилителе, указывающем 8 Ом или более, может привести к выходу усилителя из строя.
Изменения импеданса нагрузки с частотой приводят к изменению фазового соотношения между выходным напряжением и током усилителя . Для резистивной нагрузки обычно (но не всегда) напряжение на выходных устройствах усилителя максимально, когда ток нагрузки минимален (и напряжение минимально на нагрузке) и наоборот, и в результате рассеиваемая мощность в этих устройствах минимальна. Но из-за сложной и изменчивой природы нагрузки драйвера/кроссовера и ее влияния на фазовое соотношение между напряжением и током ток не обязательно будет минимальным, когда напряжение на выходных устройствах максимально - это приводит к увеличению рассеиваемой мощности в выходном каскаде усилителя, что проявляется в виде нагрева выходных устройств. Фазовый угол больше всего изменяется вблизи резонанса в громкоговорителях с подвижной катушкой. Если этот момент не учитывать при проектировании усилителя, усилитель может перегреться, что приведет к его отключению или выходу из строя выходных устройств. Подробнее см. в разделе Коэффициент мощности .
Громкоговоритель действует как генератор, когда катушка движется в магнитном поле. Когда катушка громкоговорителя движется в ответ на сигнал от усилителя, катушка генерирует обратную ЭДС, которая сопротивляется сигналу усилителя и действует как «тормоз», останавливая движение катушки. Эффект торможения имеет решающее значение для конструкции динамика, поскольку проектировщики используют его, чтобы гарантировать, что динамик быстро прекратит издавать звук, а катушка будет в положении для воспроизведения следующего звука. Электрический сигнал, генерируемый катушкой, возвращается по кабелю динамика к усилителю. Хорошо спроектированные усилители имеют низкое выходное сопротивление, поэтому этот сгенерированный сигнал оказывает минимальное влияние на усилитель.
Характерно, что твердотельные усилители имели гораздо более низкие выходные импедансы, чем ламповые усилители. Настолько, что различия на практике между драйвером с номинальным импедансом 16 Ом и драйвером с номинальным импедансом 4 Ом не были достаточно важными, чтобы их корректировать. Коэффициент затухания усилителя , который представляет собой отношение номинального импеданса нагрузки (звуковой катушки драйвера) к выходному импедансу усилителя, является адекватным в обоих случаях для хорошо спроектированных твердотельных усилителей.
Ламповые усилители имеют достаточно высокие выходные импедансы, поэтому они обычно включают многоотводные выходные трансформаторы для лучшего соответствия сопротивлению драйвера. Шестнадцатиомные драйверы (или акустические системы) будут подключены к 16-омному ответвлению, 8 Ом к 8-омному ответвлению и т. д.
Это важно, поскольку соотношение между импедансом громкоговорителя и импедансом усилителя на определенной частоте обеспечивает демпфирование (т. е. поглощение энергии) для обратной ЭДС, генерируемой драйвером. На практике это важно для предотвращения звона или свисания , которые, по сути, являются свободной вибрацией движущихся структур в драйвере, когда он возбуждается (т. е. приводится в действие сигналом) на этой частоте. Это можно ясно увидеть на графиках водопадных измерений. Правильно настроенный коэффициент демпфирования может контролировать эту свободную вибрацию движущихся структур и улучшать звучание драйвера.
