Изучаем изодинамическую головку 10ГИ-1

С. Зотов

Среди любителей акустики о качестве звучания изодинамических высокочастотных головок 10ГИ-1 существуют разноречивые отзывы: от неудовлетворительных до восторженных…

Познакомимся с этой головкой более подробно, попробуем установить причины отрицательных отзывов, а также рассмотрим возможность применения их в качестве среднечастотных.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Изодинамическая высокочастотная головка 10ГИ-1 имеет следующие характеристики: максимальная синусоидальная/шумовая мощность – 10/15 вт, диапазон частот 2,5…25 кГц, чувствительность – 87 db, сопротивление – 4 или 8 Ω, габариты – 119х107х32 мм (блока излучателя) и 120х110х42 мм (общие, с декоративным фланцем). В некоторых справочниках верхняя граница частотного диапазона указывалась более высокая – 31,5 кГц.

Кроме головки 10ГИ-1 выпускалась также другая модификация изодинамической головки – 25ДВ-1: максимальная шумовая мощность – 25 вт, диапазон частот 2…25 кГц, чувствительность – 88 db, сопротивление – 4, 8 или 16 Ω, общие габариты – 120х144х42 мм.

Изодинамические головки изготавливались на нескольких радиозаводах, среди них : Львовский радиозавод, Прикарпатский радиозавод (г. Ивано-Франковск), заводы «Магнетон» и «Ферроприбор» (оба – г. Ленинград, с 91-го года Санкт-Петербург).

Головки 10ГИ-1 и 25ГДВ-1 имеют практически одинаковые конструкции блока излучателя, но отличаются дизайном и габаритами декоративного фланца. «Опыты» проводились на головке 10ГИ-1 с сопротивлением 4 Ω, однако же, полученные выводы применимы ко всем модификациям головок.

Отличительной чертой головки является мембрана, излучающая звук. Мембрана представляет собой тонкую полимерную плёнку с плоской звуковой катушкой из алюминия. Катушка размещена в магнитном поле, поэтому по принципу работы изодинамическая головка аналогична классическому динамику. Мембрана имеет ничтожно малую массу и, соответственно, инерционность – это главное достоинство головки !

Попытки измерить добротность головки не дали результата в виду отсутствия характерного резонансного пика на кривой импеданса – объяснить это, наверное, можно тем обстоятельством, что мембрана не натянута, в итоге отсутствует «упругий» подвес. Кроме этого, масса мембраны настолько мала, что соизмерима с массой прилегающего воздуха.  Вероятно поэтому, резонансный пик отсутствует, по крайней мере, у меня не получилось измерить её резонансную частоту.

Мембрана, расположенная в магнитном поле, в процессе «работы» движется, если можно так сказать, «всей плоскостью одновременно». Из-за особенностей конструкции мембрана не совершает изгибных колебаний (как это происходит в головках с традиционным коническим диффузором), поэтому отсутствуют искажения, обусловлен-ные изгибными колебаниями излучателя.

Перечисленные выше факторы способствуют высокому качеству звучания, и обеспечивают особенно лёгкий и «воздушный» звук, поэтому их можно отнести к положительным сторонам изодинамической головки.

Измерения показали, что индуктивность звуковой катушки Le составляет менее 0,04 mГ, что совсем немного и также положительно сказывается на качестве звука на ВЧ.

К сожалению, головка 10ГИ-1 имеет несколько недостатков, главный из которых – это относительно низкая чувствительность, всего 87 db, что не позволяет применять её в сочетании с хорошими низкочастотными динамиками с чувствительностью более 90 db (например, с динамиками 4ГД-5, 6ГД-2 и др.).

Кроме этого, 10ГИ-1 имеет «проблемную» диаграмму направленности – причина этого, возможно, обусловлена особенностью конструкции (звук от мембраны проходит через две узкие щели шириной 8 мм и глубиной более 10 мм, прежде чем «выйти» наружу).

Иногда головки 10ГИ-1 издают призвуки в виде дребезжания – и «по совокупности», наверное, поэтому часто встречаются отрицательные отзывы о головке.

Подробное описание головки 10ГИ-1 представлено в справочнике И.А. Алдошиной, В.Б. Бревдо, Г.Н. Веселова и др. «Бытовая электроакустическая аппаратура» (М., Радио и связь, 1992 г., стр. 194–195). Аналогичная конструкция изодинамического излучателя применена в стереонаушниках ТДС-7 – см. статью В. Мищенко, В. Варянки, О. Винницкого «Изодинамические стереотелефоны “Амфитон” ТДС-7» (ж. «Радио» № 7-8, 1981 г., стр. 56).

На форуме «ВегаЛаб» есть тема, в которой представлены измеренные характеристики различных головок. В частности, пользователь ‹Fenyx› разместил измеренные АЧХ головок 10ГИ-1 (для двух экземпляров):

Из представленных данных можно отметить, что в области частот примерно от 2 кГц до 3 кГц на АЧХ имеется небольшой «горб» амплитудой до +3…4 db. Этот горб можно устранить фильтром-пробкой, но пассивный фильтр приводит к ослаблению звукового давления, что при низкой чувствительности головки не всегда целесообразно.

В промышленных акустических системах (АС) головка 10ГИ-1 применялась в качестве высокочастотной в 3х-полосных колонках «Амфитон 25АС-027» с басовиком 50ГДН-3-4. Есть ещё похожие, тоже 3х-полосные колонки «Электроника 25АС-033», в которых использована другая версия изодинамической головки – 25ГДВ-1-8. Кроме этого, промышленностью выпускались также 2х-полосные колонки с изодинамическими головками – это «Амфитон 25АС-131», и тоже с басовиком 50ГДН-3-4.

 

2. РАЗБИРАЕМ ГОЛОВКУ 10ГИ-1

В комплект головки входит уплотнительная прокладка из мягкой резины. Для разборки первоначально следует открутить два винта, которые крепят декоративный фланец на корпусе блока излучателя головки.

Между блоком излучателя и декоративным фланцем расположена металлическая решётка, изготовленная из стального провода диаметром d_пр=0,35 мм, ячейки решётки имеют квадратную форму с размером стороны b=1,4 мм (по осевым линиям проволоки). Можно рассчитать «коэффициент загромождения» решётки, он оказался равным k_ЗАГР≈0,4, т.е. проволока решётки «перекрывает» почти 40% проходного сечения !..

Установлено, что именно металлическая решётка в некоторых случаях может являться источником неприятных дребезжащих призвуков, которые, вероятно, связаны с резонансными явлениями в самой решётке на частотах 2…5 кГц. Поэтому простая замена металлической решётки на крупноячеистую ткань по типу марли может устранить эти неприятные призвуки (лучше выбрать ткань чёрного цвета). Ткань в предварительно растянутом виде нужно при-клеить на лицевую сторону блока излучателя клеем 88-Н.  Можно также под решётку положить полоски изоленты для демпфирования решётки – это устранит возможное дребезжание.

Перед разборкой головки предварительно следует отпаять провода на колодке с задней стороны головки, а также открутить пломбы (поз. 1 на следующем рисунке).

У головки 10ГИ-1 оригинальная магнитная система (МС), состоящая из шести прямоугольных магнитных брусков. МС спроектирована таким образом, что магнитные бруски, расположенные друг напротив друга, отталкиваются. Поэтому КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО (!) просто так – взять и развинтить винты (поз. 2), соединяющие две половинки головки.  В этом случае эти половинки, отталкиваясь друг от друга, сместятся в сторону одна относительно другой, что приведёт к неизбежному механическому повреждению излучающей мембраны. Как результат, произойдёт «разрушение» мембраны головки.  В таком случае восстановление возможно только при замене мембраны на новую.

Для «безопасной» разборки головки нужно в отверстия, в которых винтами крепится декоративный фланец, предварительно закрутить два винта  М4  и длиной не менее 70 мм (поз. 3). И только после этого можно откручивать основные крепёжные винты (поз. 2).

При откручивании основных винтов, половинки блока излучателя головки, отталкиваясь друг от друга, отойдут на расстояние, при котором магнитные силы между частями головки существенно уменьшаются, и только после этого можно окончательно разъединить детали. Длинные винты (поз. 3) играют роль «направляющих», которые не допускают вредного и опасного осевого смещения половинок конструкции. На следующей фотографии : задняя часть МС – слева, мембрана – в центре, передняя часть МС – справа. К мембране с двух сторон приклеены текстолитовые рамки, в итоге общая толщина излу-чателя с рамками составляет 1,8 мм. На фотографии указаны полярности магнитных брусков:

Звук, излучаемый мембраной в задний корпус МС, остается в замкнутом пространстве очень небольшого (!) объёма. Для ослабления стоячих волн в этом объёме пазы в задней части заполнены звукопоглощающим материалом.

На поверхности магнитных брусков приклеены небольшие тряпочки для предотвращения касания мембраны о магнитные бруски, что могло бы привести к появлению дребезжания. При разборке большого количества головок 10ГИ-1 было отмечено, что в некоторых случаях на поверхности магнитных брусков налипают небольшие магнитные частицы и соринки, которые могут быть источником дребезжания в случае касания о мембрану.

Поэтому в ситуациях, когда головка 10ГИ-1 имеет небольшие дребезжащие призвуки, то это можно устранить, выполнив два условия: 1 – положить под металлическую решётку полоски изоленты, или удалить решётку совсем, или заменить её на крупноячеистую ткань, и  2 – разобрать головку, «очистить» магнитные бруски от налипших магнитных частиц или стальных опилок (например, скотчем), и снова собрать головку. Сборку головки следует производить в обратной последовательности.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОВКИ 10ГИ-1 В КАЧЕСТВЕ СРЕДНЕЧАСТОТНОЙ

В изодинамической головке 10ГИ-1 мембрана излучает звук в обе стороны: вперёд звуковые волны выходят через щели на лицевой стороне блока излучателя, и назад – в замкнутый объём между мембраной и задней стенкой. Этот «задний» объём очень маленький, и поэтому препятствует колебаниям мембраны на нижней границе частотного диапазона.

Оказывается, если на задней стенке головки «пропилить» такие же щели, как на лицевой панели (см. фото), то нижняя граница диапазона головки понизится примерно на октаву, т.е. с 2,5 кГц до ≈1,2 кГц. Это позволяет применить изодинамическую головку в качестве среднечастотной в диапазоне от 1,2 кГц. В этом случае головку, доработанную таким образом, следует закрыть изнутри ящика герметичным боксом, заполненным ватой, как это делается, обычно, для традиционных СЧ-головок.

Можно применить такую конструкцию головки 10ГИ-1 в 2х-полосных колонках в комбинации с хорошим басовиком и с частотой раздела около 1,2…1,6 кГц.  В классических 3х-полосных АС среднечастотная полоса, как правило, составляет от 500 Гц до 5 кГц. В случае использования доработанных таким способом головок 10ГИ-1 безинерционному излучателю «отдаётся» большая часть среднечастотного диапазона, а именно полоса от 1,2 кГц до 5 кГц, т.е. две октавы (!)

Однако тут есть один нюанс, который обязательно надлежит учитывать. При снижении нижней границы частотного диапазона возрастает амплитуда колебаний излучающей мембраны (при неизменном уровне подводимого сигнала), что в случае изодинамической головки может привести к касаниям мембраны о магниты. Избежать этого можно, если ограничить подводимую мощность на головку. Применительно к конкретным конструкциям АС для «решения проблемы» можно предложить увеличение количества изодинамических головок при увеличении мощности басовика. А именно, для басовика размером 6″ (например, 15ГД-17) можно использовать одну головку 10ГИ-1, доработанную под среднечастотник. Для басовика размером 8″ (25ГД-26) нужно уже установить две головки 10ГИ-1. И для басовика 10″ (30ГД-2) потребуются четыре головки 10ГИ-1. При соблюдении этих рекомендаций можно избежать перегрузки головок 10ГИ-1 при работе в СЧ-режиме. Примерные конструкции АС показаны на рисунке.

Предварительно были проведены «модельные испытания» на базе ящиков от систем «Амфитон 25АС-027» ; в качестве басовика был использован динамик 25ГД-26, переделанный на кевлар (установленный на переходном фланце), в качестве среднечастотника – сотовая широкополосная головка 25ГДШ-2Н, при моделировании сравнивались различные пищалки (3ГД-47 и НЕО-25Т Калужской фирмы АСА), также проверялись разделительные фильтры. Однако кроме этого, одновременно «проверялся» ещё 2х-полосный вариант колонок с доработанными «под среднечастотник» двумя головками 10ГИ-1 с частотой раздела 1,2 кГц и соответствующими фильтрами (см. фотографии).

При контрольном прослушивании изменение конфигурации АС (из классического 3х-полосного варианта в 2х-полосный с двумя 10ГИ-1, и обратно) осуществлялось одним переключением тумблера. Прослушивание варианта колонок с головками 10ГИ-1 и частотой раздела 1,2 кГц произвело неизгладимое впечатление – очевидно по причине безинерционного излучения звука в среднечастотном диапазоне. Были успешно опробованы варианты акустики с доработанными головками 10ГИ-1 и частотой раздела 1,2 кГц в двух вариантах: басовик 15ГД-17 (6″) и одна головка 10ГИ-1, и кевларовый 25ГД-26 (8″) с двумя головками 10ГИ-1.

Конечно, чувствительность у головки 10ГИ-1 не высокая и оставляет желать лучшего, однако проблему можно успешно решить грамотным подбором в комплект низкочастотного динамика. Например, головка 10ГИ-1 имеет сопротивление 4 Ω и чувствительность 87 db, поэтому для самой малогабаритной АС такого типа (с одной ВЧ-головкой) хорошо подходит басовик 15ГД-17 (тоже 4 Ω и 87 db). Если АС имеет две головки 10ГИ-1, соединённых последовательно (т.е. общее сопротивление ВЧ-звена будет 8 Ω), то подойдёт басовик с сопротивлением 8 Ω и чувствительностью 87 db (это: «родной» 10ГД-30Е или кевларовый 25ГД-26 на 8 Ω), или с параметрами 4 Ω и 84 db («родной» 25ГД-26 на 4 Ω). Если же АС имеет четыре головки 10ГИ-1, соединённых последовательно-параллельно (и общее сопротивление ВЧзвена будет 4 Ω), то должен подойти басовик с параметрами 4 Ω и 87 db, или 8 Ω и 90 db – так что вопросы с комплектацией динамиков вполне решаемые.

Следует отметить, что во избежание перегрузки изодинамических головок, используемых в качестве среднечатотных, не следует снижать частоту раздела ниже 1,2 кГц, а для надёжной их работы – 1,5 кГц; также рекомендуется применять разделительный фильтр ВЧ-звена не ниже 3-го порядка. «Проблему» с узкой диаграммой направленности головки 10ГИ-1 можно устранить применением конструкции АС с размещением ВЧ-головки в отдельном небольшом корпусе. Такие варианты дизайна оправданы и успешно применяются, см. справа; причём в этом случае ВЧ-блок имеет возможность поворачиваться в стороны – таким образом диаграмму направленности можно отрегулировать по центру звуковой панорамы. Либо (при классической конструкции) можно поворачивать всю АС целиком.

4. ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ 10ГИ-1

Была измерена магнитная индукция в рабочем зазоре головки 10ГИ-1. Для чего головка была разобрана и затем снова собрана, но уже без мембраны. В щели с лицевой стороны вводился щуп тесламетра и в районе, где должна располагаться мембрана, была измерена напряжённость магнитного поля. Магнитная индукция составила около 0,22 Тл при незначительной неравномерности – это, на первый взгляд, совсем немного, однако, учитывая ничтожно малую массу мембраны, оказалось достаточным для обеспечения чувствительности 87…88 db.

Так как КПД громкоговорителя зависит от магнитной индукции ′в квадрате′, то очевидно, что увеличение индукции вдвое (т.е. до ≈0,45 Тл) повысит чувстви-тельность на +6 db – очень существенная прибавка(!). В этом случае головка 10ГИ-1 (даже в 8ми-Омном варианте) смогла бы успешно «работать» в качестве пищалки в паре с высокочувствительным басовиком 6ГД-2.

Повысить чувствительность головок на указанную величину вполне возможно в случае использования неодимовых магнитов взамен «родных» ферритовых, причём, скорее всего, будет достаточной высота магнитных брусков ≈3…3,5 мм. В итоге общая глубина щелей, через которые звук выходит наружу заметно уменьшиться (примерно вдвое) – последнее должно оказать положительное воздействие на диаграмму направленности головки.

К сожалению, у меня так и не получилось осуществить экспериментальную работу по замене магнитов в 10ГИ-1 на неодимовые – не нашёл нужных по размерам магнитов. Правда, фирмы по производству магнитов предлагают такую услугу, как «изготовить магниты любых размеров на заказ», однако же, цена (и так уже не малая) в этом случае возрастает многократно.

5. ЧТО ЖЕ  В  ИТОГЕ ?

Высокочастотные изодинамические головки 10ГИ-1 и 25ГДВ-1 ранее применялись в нескольких моделях промышленных АС, кроме этого, продавались отдельно в магазинах радиотоваров для самостоятельного творчества – поэтому у радиолюбителей, почти наверняка, осталось большое количество этих интересных головок. В связи с чем, по Интернету их можно без проблем купить.

В настоящее время изодинамические головки сняты с производства. Однако же, в каталоге запчастей для продаж НПП «Диффузор» (г. Санкт-Петербрург) представлена мембрана для указанных головок, к сожалению, только на сопротивление 16 Ω (и что тоже к сожалению – без текстолитовых рамок, т.е. их нужно ещё самостоятельно дорабатывать).

В статье подробно представлена конструкция головок; рассказано: как можно устранить неприятное дребезжащее звучание, проявляющееся в некоторых экземплярах головок; как осуществить безопасную разборку и сборку головок для очистки мембраны и магнитов от мусора.

Продемонстрирован способ их доработки, в результате которого головки можно использовать в качестве среднечастотных, работающих в полосе от 1,2…1,6 кГц – данная модернизация была проверена на нескольких экспериментальных акустических системах, и показала отличные результаты.

«Обозначен» способ повышения чувствительности изодинамической головки путём применения редкоземельных магнитов, однако – это без экспериментального подтверждения, т.е. пока только на уровне предположения.

Автор: Сергей Зотов
2021 г.