Я давно був вражений, що котушки для фільтрів колонок роблять короткими і великого діаметру. Це технологічно, але короткі котушки великого діаметру набагато чутливіші до перешкод, ніж довгі маленького діаметру. Ось приклад добре зроблених котушок в якісних колонках:
І зворотний приклад котушок великого діаметра (у всіх цих випадках котушка виходить не оптимальною по активному спротиву, але якщо в першому випадку є виправдання - найкраща перешкодозахищеність, то в другому виправдань ніяких немає):
Причому котушки на правому фото (найгірші) працюють як приймачі всього на світі і розташовані найгіршим чином. Найпікантніше, що це дуже однієї російської аудіофільских фірми, при цьому неправильні конструкція і розташування котушок компенсуються стрілочками на проводах.
На рис.1 показана силова лінія магнітного поля перешкоди (В). Якщо поле проходить крізь виток (рис. 1а), то в ньому наводиться ЕРС. Якщо силова лінія крізь виток не проходить (рис. 1б), то воно на виток і не впливає. У разі короткої котушки, перешкода впливає на всі витки (рис.1в), якщо ж котушка довга (рис.1 г), то поле впливає лише на невелику частину витків, і цей вплив тим менше, чим менше діаметр котушки.
Але це було не настільки вагомою причиною, щоб про це писати. Тим більше, що передача перешкод по повітрю на звукових частотах досить слабка.
Не так давно мені знадобилося послухати звучання ВЧ динаміків. Я зібрав LC-фільтр, підключив на "крокодилів" динамік, подав сигнал з комп'ютерного підсилювача (рис.2). Щоб колонки не заважали, я вийняв по одному дроту з їх терміналів.
Підключив один динамік, послухав. Від'єднав, взяв другий, почав підключати. Нахилився над схемою і раптом почув, що колонка грає. Хоч і дуже-дуже тихо. Причому обидва її динаміка: і ВЧ, і НЧ! Першою моєю думкою було - напевно від'єднаний провід злегка стосується самореза терміналу, той в свою чергу десь всередині колонки стосується деталей кросовера, ось сигнал і проходить. Перевірив: нічого подібного. Від'єднав від колонки і другий провід. Звук залишився!
Причина була така: магнітне поле, створюване котушкою мого "настільного" фільтра наводило в колонку сигнал, достатній для її дуже тихого, але звучання. Змінюючи положення котушки, я зраджував і гучність звучання колонки.
Але на що ж саме в колонці впливає магнітне поле котушки? Безпосередньо на динаміки магнітне поле впливає дуже слабо - при тому, що піднесло котушки прямо до динаміка, а динаміка - прямо до вуха, звук ледве чутно. Причому незалежно від того - екранований динамік, чи ні. Значить, наводка йде на котушки кросовера (в цій колонці їх дві - на ВЧ і на НЧ).
Для перевірки цієї гіпотези, я взяв дві котушки (зі старого кросовера, тому вони не дуже красиво виглядають, але зате працюють - відмінно!) Індуктивністю приблизно по 500 мкГн (рис.3).
Одну з них через резистор 6 Ом підключив до того ж комповому підсилювача. а другу котушку - до динаміка (рис. 4).
Результат: при роботі підсилювача на повну потужність і відстані між котушками 1 см (сірникову коробку), динамік грав досить навіть голосно - 64 дБ на відстані 0,5 метра! Я роблю таку гучність, коли хочу чути звуки Вінди і програм (наприклад деяких ігор), але щоб вони мені не заважали.
Звичайно, такий стан котушок найбільш неоптимальний, але тим не менш, виходить, що взаємний вплив котушок прямо-таки відразу відкидати не коштує. Давайте перевіримо, як котушки впливають один на одного. Щось подібне робив Дуглас Селф, але він досліджував котушки, що включаються на виході підсилювача, а вони - дрібниця в порівнянні з котушками кросоверів. Крім того, Селф досліджував котушки на холостому ходу, а в реальності до них підключені динаміки, що викликає зменшення наводимого напруги. Крім того, я спробував узагальнити всю цю справу, щоб можна було оцінити наведення в будь-яких ситуаціях.
Я пропускав через одну котушку струм 1 ампер на частоті 10 кГц. А другу у своєму розпорядженні певним чином щодо першої і вимірював наведену в ній ЕРС (всі величини - діючі значення). Виміри проводилися і на холостому ходу, і під навантаженням 8 Ом (навантаження підключалася паралельно котушці-приймача). На графіках наведена як абсолютна ЕРС, що наводиться в котушці-приймачі, так і відносна в дБ - щодо напруги 8 Вольт, необхідного для отримання струму 1 Ампер.
Отже (відстань вимірювалося безпосередньо між обмотками котушок), це розташування - найгірше:
Другий варіант краще:
Ще варіант - приблизно те ж саме (але тут геометрія котушок впливає на результат набагато сильніше, ніж в попередньому випадку):
Таке розташування - ще трохи краще:
Найкраще розташування - симетричне. В ідеалі наведень взагалі ніяких не повинно бути (наведення на обидві половини котушки однакові і протилежні, тому віднімаються до нуля)! Але в реальності абсолютної симетрії котушок отримати не вдається. Більш того, невеликий зсув котушки в сторону різко порушує цю саму симетрію, тому мені довелося зробити напрямні і переміщати котушку уздовж них - при найменшому зсуві в бік напруга в котушці-приймачі різко зростала.
В принципі, якщо котушки несиметричні, то можна домогтися їх майже абсолютного взаємного невліянія, розташувавши їх також трохи несиметрично. Тобто якщо трохи поворожити. Але там вже починає позначатися вплив окремих дротів, що йдуть до котушок.
На всіх цих графіках лінії, що показують амплітуду в дБ, повинні бути прямими. Їх відхилення від прямої - похибка експерименту, в основному вона викликана деяким зміщенням котушок від заданого взаємного положення і неточністю установки (або вимірювання) відстані Х.
Тепер повторимо досвід №1 (рис. 5), але на частоті 1 кГц:
Результати передбачувані. По-перше, амплітуда на хх зменшилася пропорційно частоті, тобто на порядок (з урахуванням похибки). По-друге, різниця між напругою на хх і під навантаженням також зменшилася. Поясню цей другий факт. Система з двох котушок утворює трансформатор (з повітряним сердечником). Повна Т-подібна схема заміщення трансформатора нас зараз не цікавить, а спрощено (і головне) виходить ось що:
Тут М - взаімоіндуктівность котушок. Зі схеми заміщення трансформатора залишається тільки X L зв'язку (тому що активний опір котушок дуже мало, а поперечна гілку взагалі нам не потрібна). Lсвязі = const при незмінному взаємне положення, а його індуктивний опір прямо пропорційно частоті. На високих частотах це опір більше, більше і падіння напруги на ньому при протіканні струму, більше і просадка напруги під навантаженням.
Поки що фізика на нашому боці: на низьких частотах менше наведена ЕРС, на високих ЕРС більше, але більше і просадка напруги під навантаженням - в будь-якому випадку навантажені котушки мають меншу напругу наведень.
Розрахувати параметри схеми заміщення можна за формулами:
Тут f - частота, I - струм, М - взаємна індуктивність котушок. Всі величини в Вольтах, Амперах, Генрі, Герцах. Ось тільки взаємну індуктивність теоретично розрахувати не представляється можливим. Зате можна виміряти: через одну котушку пропустити змінний струм, а в інший поміряти напругу на холостому ходу, і з формули (1) рис.12.
Менш точно (але з достатньою точністю) можна визначити взаємну індуктивність М з моїх дослідів. Для цього мені потрібно було відмовитися від індуктивності моїх котушок і визначити коефіцієнт індуктивного зв'язку До між ними. Ось графіки, відповідні взаємним розташуванням, показаним на малюнках 5-9:
Для визначення взаємної індуктивності М в якому випадку, потрібно коефіцієнт зв'язку К, взятий з графіка, помножити на корінь з добутку индуктивностей обох котушок. Ось формула для визначення М:
Ось приклад розрахунку для 1-ї позиції (рис.5), струму 1 Ампер, відстані між котушками 1 см і індуктивністю кожної L1 = L2 = 500 мкГн:
Як видно, Енаведенное збігається з виміряної ЕРС на холостому ходу. На частоті 10 кГц Lсвязі має опір близько 60 Ом, тому просадка напруги під навантаженням велика.
Для обліку форми котушки (згадаємо, з чого все почалося: котушка може бути тонкою і довгою, або короткою великого діаметра), при обчисленні взаємної індуктивності можна скористатися емпіричним поправочних коефіцієнтів (дуже-предуже грубим), рівним квадратному кореню з відношення діаметра котушки до її довжині (в однакових одиницях, наприклад, в сантиметрах):
На закінчення хочеться відзначити, що все-таки взаємний вплив котушок досить незначно, і якщо не робити грубих помилок, то воно шкоди ніякої і не принесе.