Звуковая катушка ( состоящая из каркаса , воротника и обмотки ) — это катушка провода, прикрепленная к вершине конуса громкоговорителя . Она обеспечивает движущую силу конуса за счет реакции магнитного поля на проходящий через него ток.
Этот термин также используется для линейных двигателей с звуковой катушкой , таких как те, которые используются для перемещения головок внутри жестких дисков , которые производят большую силу и перемещаются на большее расстояние, но работают по тому же принципу. В некоторых приложениях, таких как электронная регулировка фокуса на цифровых камерах, они известны как двигатели с звуковой катушкой (VCM).
При прохождении тока через звуковую катушку создается магнитное поле . Это магнитное поле заставляет звуковую катушку реагировать на магнитное поле постоянного магнита, закрепленного на раме динамика, тем самым перемещая конус динамика. При подаче звуковой волны на звуковую катушку конус будет воспроизводить волны звукового давления , соответствующие исходному входному сигналу.
Поскольку подвижные части динамика должны иметь небольшую массу (чтобы точно воспроизводить высокочастотные звуки , не будучи слишком сильно затухающими из-за инерции ), звуковые катушки обычно делаются максимально легкими, что делает их хрупкими. Прохождение слишком большого тока через катушку может привести к ее перегреву (см. омический нагрев ). Звуковые катушки, намотанные сплющенной проволокой, называемой ленточной , обеспечивают более высокую плотность упаковки в магнитном зазоре, чем катушки с круглой проволокой. Некоторые катушки изготавливаются из герметизированных по поверхности материалов бобины и воротника, 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, передаваемая через катушку, зависит от термостойкости изоляции провода, клея и материала катушки и может зависеть от положения катушки в магнитном зазоре. Большинство громкоговорителей используют «нависающие» звуковые катушки с обмотками, высота которых превышает высоту магнитного зазора. В этой топологии часть катушки все время остается в зазоре. Мощность, передаваемая через катушку, ограничена количеством тепла, которое может быть выдержано, и количеством, которое может быть удалено из звуковой катушки. Некоторые конструкции магнитов включают алюминиевые кольца-теплоотводы выше и ниже магнитного зазора для улучшения охлаждения за счет проводимости, что значительно улучшает мощность, передаваемую через катушку. Если все остальные условия остаются неизменными , площадь обмоток звуковой катушки пропорциональна мощности, передаваемой через катушку. Таким образом, звуковая катушка диаметром 100 мм с высотой намотки 12 мм имеет мощность, подобную звуковой катушке диаметром 50 мм с высотой намотки 24 мм.
В конструкциях звуковой катушки «подвешенной» (см. ниже) катушка короче магнитного зазора, топология, которая обеспечивает постоянную электродвижущую силу в ограниченном диапазоне движения, известном как X max . Если катушка перегружена, она может покинуть зазор, создавая значительные искажения и теряя теплоотводящее преимущество стали, быстро нагреваясь.
Многие hi-fi и почти все профессиональные низкочастотные громкоговорители (вуферы) включают вентиляционные отверстия в магнитной системе для обеспечения принудительного воздушного охлаждения звуковой катушки. Насосное действие конуса и пылезащитного колпачка втягивает холодный воздух и выталкивает горячий. Этот метод охлаждения основан на движении конуса, поэтому неэффективен на средних или высоких частотах, хотя вентиляция среднечастотных и высокочастотных динамиков действительно обеспечивает некоторые акустические преимущества.
В самых первых громкоговорителях звуковые катушки были намотаны на бумажные бобины, что было приемлемо для скромных уровней мощности. По мере появления более мощных усилителей алюминиевая фольга из сплава 1145 широко заменяла бумажные бобины, и звуковые катушки выдерживали повышенную мощность. Типичные современные звуковые катушки громкоговорителей hi-fi используют материалы, которые могут выдерживать рабочие температуры до 150°C или даже 180°C. Для профессиональных громкоговорителей доступны усовершенствованные термореактивные композитные материалы, которые улучшают выживаемость звуковой катушки при одновременном сильном термическом (<300°C) и механическом напряжении.
Алюминий широко использовался в акустической промышленности из-за его низкой стоимости, простоты склеивания и структурной прочности. Когда появились усилители большей мощности, особенно в профессиональном звуке, ограничения алюминия были выявлены. Он довольно эффективно, но неудобно передает тепло от звуковой катушки в клеевые соединения громкоговорителя, термически разрушая или даже сжигая их. Движение алюминиевой бобины в магнитном зазоре создает вихревые токи внутри материала, которые еще больше повышают температуру, препятствуя долговременному сохранению. В 1955 году компания DuPont разработала Kapton, полиимидную пластиковую пленку, которая не страдала от недостатков алюминия, поэтому Kapton, а позже и Kaneka Apical были широко приняты для звуковых катушек. Несмотря на то, что эти темно-коричневые пластиковые пленки были успешными для большинства звуковых катушек hi-fi, они также имели некоторые менее привлекательные свойства, в основном их стоимость и досадную тенденцию к размягчению при нагревании. Hisco P450, разработанный в 1992 году для решения проблемы размягчения в профессиональных динамиках, представляет собой термореактивный композит из тонкой стекловолокнистой ткани, пропитанной полиимидной смолой, сочетающий лучшие характеристики полиимида с термостойкостью и жесткостью стекловолокна. Он выдерживает жесткие физические нагрузки и рабочие температуры до 300°C, а его жесткость помогает поддерживать «холодную» частотную характеристику динамика.
Фактический провод, используемый в обмотке звуковой катушки, почти всегда медный с электроизоляционным покрытием, а в некоторых случаях и с клеевым покрытием. Медный провод обеспечивает легко изготавливаемую звуковую катушку общего назначения по разумной цене. Там, где от громкоговорителя требуется максимальная чувствительность или расширенный высокочастотный отклик, можно заменить алюминиевый провод, чтобы уменьшить подвижную массу катушки. Хотя алюминиевый провод довольно деликатен в производственной среде, он имеет около трети массы эквивалентного калибра медного провода и имеет около двух третей электропроводности. Иногда используется алюминиевый провод с медным покрытием, что облегчает намотку, а также полезно уменьшает массу катушки по сравнению с медным.
Может использоваться анодированный алюминиевый плоский провод, обеспечивающий изолирующий оксидный слой, более устойчивый к пробоям диэлектрика, чем эмалевые покрытия на других проводах звуковой катушки. Это создает легкие, низкоиндуктивные звуковые катушки, идеально подходящие для использования в небольших динамиках с расширенным диапазоном. Основным ограничением мощности таких катушек является температура термического размягчения клея, который скрепляет провод с бобиной или бобину с пауком и катушкой.
Звуковые катушки могут использоваться для приложений, отличных от громкоговорителей, где требуются линейность силы времени и длинные ходы. Некоторые среды, такие как вакуум или космос, требуют особого внимания во время зачатия, чтобы эвакуировать потери катушки. Несколько специальных методов могут использоваться для облегчения теплового стока.
На изображении выше показаны два способа погружения звуковой катушки в магнитное поле. Наиболее распространенным методом является конструкция с навесом , в которой высота звуковой катушки больше высоты магнитного зазора. Конструкция с подвесом , которая используется в основном в высококачественных динамиках, имеет высоту катушки меньше зазора. Различия, преимущества и недостатки обоих методов перечислены ниже.
Обе топологии преследуют одну и ту же цель: линейную силу, действующую на катушку, для драйвера, который точно воспроизводит приложенный сигнал.
Термин «звуковая катушка» был обобщен и относится к любому механизму, подобному гальванометру , который использует соленоид для перемещения объекта вперед и назад в магнитном поле.
В частности, его обычно используют для обозначения катушки с проволокой, которая перемещает головки чтения-записи в дисководе с подвижной головкой . В этом приложении очень легкая катушка с проволокой устанавливается в сильном магнитном поле, создаваемом постоянными редкоземельными магнитами . Звуковая катушка является моторной частью сервосистемы , которая позиционирует головки: электрический управляющий сигнал приводит в действие звуковую катушку, а результирующая сила быстро и точно позиционирует головки.