На сегодняшний день существует большое количество типов головок звукоснимателя. В первую очередь они различаются по принципу формирования выходного сигнала: пьезоэлектрические, электродинамические, электронные (емкостные, фотоэлектрические, полупроводниковые). Наибольше распространение получили электродинамические головки с подвижным магнитом (MM, moving magnet) и катушками (MC, moving coil).
Головки звукоснимателя с подвижными катушками MC, по сравнению с головками MM, имеют наиболее широкий диапазон выходного сигнала до 40 – 50 кГц и лучшее разделение каналов, поэтому они нашли применение в профессиональной аппаратуре.
Начальная модель магнитной системы
Задача головки звукоснимателя — преобразование модуляции звуковой канавки винилового диска в электрический сигнал. Катушка преобразователя колеблется в постоянном магнитном поле и, в соответствие закону электромагнитной индукции Фарадея, индуцирует ЭДС, которая пропорциональна скорости колебания иглы и её амплитуде.
Специалисты нашей компании приняли участие в создании численной модели перспективной магнитной системы электродинамической головки звукоснимателя с подвижными катушками, с помощью которой возможно:
- Оптимизировать форму полюсов, тем самым создавать более концентрированное поле в зазоре
- Оценивать влияние размера и формы воздушного зазора на выходной сигнал
- Исследовать влияние формы катушек на уровень сигнала и разделение каналов
- Исследовать изменения выходных характеристик в зависимости от используемых магнитных материалов
Моделирование магнитного поля в ANSYS Maxwell 3D.
Изначально было принято решение создавать нестационарную трехмерную модель. Нестационарная модель позволяет учитывать поступательное движение катушки, соответственно форма выходного сигнала может быть получена в постпроцессоре ANSYS Maxwell. Этапы работы и замечания:
- Понижение порядка модели посредством использования граничного условия симметрии
- Для обеспечения поступательного движения катушки в зазоре были использованы дополнительные построения. Скорость движения задавалась посредством математической функции, тем самым имитировались колебания иглы.
- Сеточный генератор нестационарной задачи не имеет возможности адаптивного перестроения сеточной модели. Таким образом использовалось ручное указание размера элементов сеточной модели. Сложности имели место быть в разрешении воздушной области в зоне катушки.
Движение катушки в магнитном поле.
Достоинством нестационарной задачи можно считать возможность получения формы сигнала при произвольном законе движения. Существенным недостатком являлось время вычисления одной комбинации параметров магнитной системы.
Для оптимизации конструкции, в дальнейшем была разработана методика по определению ЭДС катушки в стационарном решении. Это стало возможным посредством измерения потокосцепления катушки.
Стационарная модель обладает следующими преимуществами:
- Адаптивный сеточный генератор автоматически следит за плотностью сеточной модели в воздушном зазоре, контролирует ошибку вычислений
- Изменение формы элементов модели, особенно подвижной части, не требует дополнительных операций и может быть реализовано в автоматическом режиме в процессе оптимизации.
- Скорость и точность вычислений значительно выше.
- Ограничение. Корректные результаты ЭДС катушки в стационарном решении могут быть получены только для синусоидального закона движения.
Заключение:
В результате заказчику была передана рабочая модель и методика решения стационарной задачи. В дальнейшем процессе оптимизации наши специалисты не участвовали, но в нашем распоряжении появился видеосюжет о первом включении разработанного образца.