Акустические системы: типы динамиков (часть 3)

ТEКСТ: Комментарии (23)
78.2 дБ
Акустические системы: типы динамиков (часть 3)

В прошлый раз мы разобрались, по крайней мере, в общих чертах, в конструкции динамика. Основные ее элементы — общие для всех типов динамиков, но главное, как всегда, кроется в различиях. О них и стоит рассказать подробнее.

Широкополосник

Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим слухом, как уже говорилось, находится в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Логичнее всего было бы иметь такой динамик, который способен воспроизвести его полностью. И такие динамики есть. Они называются широкополосными.

Вопрос в том, насколько качественно они способны работать в крайних значениях частот этого диапазона. Дело в том, что для эффективного воспроизведения низких частот диффузор классического динамика должен иметь достаточно большие размеры. Например, для частоты 40 Гц его диаметр должен быть около 30 см. Это достаточно просто реализовать.

Широкополосный динамик ScanSpeak 10F/4424G00

Но на высоких частотах такой диффузор попросту не сможет «успевать» передавать колебания всей своей поверхностью. Именно поэтому чаще всего широкополосные динамики являются результатом компромисса.

Для качественного воспроизведения верхней части частотного диапазона в центр диффузора широкополосника зачастую вклеивается дополнительный высокочастотный диффузор — «рупорок» (конус-визер, «дудка»), который способен воспроизводить «быстрые» колебания в то время, как основной, большой диффузор работает гораздо медленнее.

Применяемые в аудиофильских системах широкополосники — предмет серьезных инженерных разработок, граничащих с искусством. Здесь используются материалы с максимально возможными параметрами, ноу-хау, позволяющие все-таки получить полнодиапазонный драйвер.

Широкополосный динамик Lii Audio 2PCS Fast-10

Наиболее проблемным для широкополосного динамика является воспроизведение крайних частот слышимого диапазона. Если широкополосник способен работать в диапазоне 60–16000 Гц с неравномерностью ± 10 дБ — это уже неплохой результат.

При этом в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше. Это делает колонки с широкополосными динамиками особо востребованными среди любителей ламповых усилителей, имеющих, как правило, ограниченную мощность.

В связи с этим голосовые катушки таких широкополосников обладают повышенным сопротивлением. Общепринятые значения для всех остальных динамиков, предназначенных для установки в акустические системы — от 2 до 8 Ом.

Кроме того, именно широкополосный динамик максимально приближен по своим параметрам к точечному источнику звука — идеальному акустическому объекту с точки зрения его локализации. Направление на источник в таком случае определяется слушателем максимально точно. Такой излучатель позволяет создать самую точную стереосцену (звуковую сцену), поскольку источник звука в стереоканале — всего один и он имеет минимальную площадь.

С другой стороны, простейшая колонка с широкополосником — самое дешевое решение, но говорить о полнодиапазонном воспроизведении в этом случае не приходится.

Твитер

Понятно, что, если трудно воспроизвести весь диапазон одним излучателем, есть смысл разделить этот диапазон на несколько частот, в каждой из которых будет работать отдельный динамик. За верхние частоты в этом случае отвечает твитер (пищалка).

Этот динамик должен иметь диффузор (мембрану) небольшой площади, но достаточно жесткий и максимально легкий, ведь полоса излучения твитера, в большинстве случаев, не ниже 1,5 кГц. Среди динамиков наибольшее распространение получил купольный твитер. В нем центральное тело диффузора или элемент, который в полноразмерном динамике называется пылезащитным колпачком, занимает практически всю площадь излучающей поверхности.

Твитер колонки Apple HomePod

Мембрану купольного твитера чаще всего делают из ткани с пропиткой, повышающей ее жесткость. Применяют и более жесткие материалы, лучшим из которых по праву считается бериллий.

Важный параметр твитера — это частота его собственного резонанса. Разработчики стремятся к тому, чтобы она находилась ниже полосы его воспроизведения. В этом случае пищалка звучит максимально точно. Дело в том, что на частотах, близких к резонансу, комплекс усилитель-динамик начинает работать некорректно, «идет в разнос», и система становится плохо управляемой.

Результат — искажения, причем в той частотной области, в которой наш слух к ним особенно чувствителен. Выход оказался прост: кроссовер — устройство, ограничивающее частотный диапазон работы твитера, «обрезает» частоты его собственного резонанса, расположенные ниже рабочего диапазона твитера, который начинается, как правило, от 2–3 кГц.

Твитер с алмазной мембраной Seas Excel E0100-04

Второе требование к твитеру — повышенная верхняя граничная частота воспроизведения. В оптимальном случае она должна превосходить верхний частотный порог слышимого диапазона, т.е. быть выше 20 кГц. Казалось бы, зачем выше, если на этих частотах мы уже не слышим ничего?

Расширенный вверх предел частотного диапазона позволяет твитеру воспроизводить так называемые верхние гармоники, формируя максимально точное звучание высоких частот. До какого предела должен иметь возможность работать твитер — а зачастую высказываются мнения о величинах в 40, а то и в 60 кГц — вопрос, являющийся предметом дискуссий.

Названные два требования к конструкции твитера являются взаимоисключающими. Для понижения резонанса необходимо делать мембрану большего размера и веса, а для повышения верхней границы АЧХ — наоборот. Выход — максимальное соотношение жесткости и массы мембраны твитера, за которое и идет технологическая борьба.

Среднечастотный динамик

Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику. Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям.

Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром

Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.

Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.

Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором

Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.

НЧ-драйвер

Низкочастотный динамик часто еще называют вуфером. Для практически любого класса акустических систем вуфер, естественно, является самым большим по площади излучателем. Для низкочастотника предпочтительным является полностью поршневой режим работы, когда диффузор движется возвратно-поступательно, как единое целое.

Здесь проблема решается еще более радикально, чем в случае со среднечастотным драйвером. Диффузор делают максимально жестким, даже за счет его утяжеления. Дело в том, что на низких частотах наш слух наименее чувствителен к искажениям. И в случае, когда для диффузора вуфера прежде всего важна амплитуда колебаний, ради жесткости идут на увеличение веса.

24-дюймовый басовый динамик в сабвуфере Pro Audio Technology

Масса подвижной системы многих крупных сабвуферных динамиков может достигать 200 г и более. Диффузоры в некоторых случаях получают пространственную конструкцию наподобие самолетного крыла из многослойного композита с заполнением внутренних полостей легкими ячеистыми или сотовыми структурами.

Для аудиофильских систем массу диффузора низкочастотного драйвера по-прежнему стараются минимизировать, поскольку натренированный слух не любит низкочастотных искажений, равно как и всех остальных.

Причем амплитуда колебаний у вуферов — самая большая среди всех перечисленных динамиков. Для этого они оснащаются так называемой длинноходовой (удлиненной) голосовой катушкой. Внешний подвес делается из резины. Все это позволяет диффузору иметь очень большую экскурсию — так называют смещение диффузора от центральной точки.

18-дюймовый басовый вуфер JBL

Особенно ярко «порода» низкочастотного динамика проявляется в драйверах, которые устанавливаются в сабвуферы. Это тяжелое, мощное устройство диаметром от 8 до 15 дюймов (наиболее часто применяемый в пользовательской АС диапазон размеров). Они имеют очень мощные магнитные системы и, в связи с этим, немалый общий вес. При этом в низкочастотных драйверах, работающих от мощных полупроводниковых усилителей, часто устанавливаются катушки минимального сопротивления — 2, а то и 1 Ом.

Коаксиальные драйверы

В двух- трехполосной колонке твитер, среднечастотник и низкочастотный динамик устанавливаются отдельно, то есть, они разнесены в пространстве. Это является серьезным недостатком. Наш слух, который легко определяет направление на источник звука, бывает обманут тем, что средние частоты и высокие частоты поступают практически из разных точек.

Направление на низкочастотный излучатель определить труднее, но тем не менее его удаленность также вносит свою лепту. В результате, такая геометрия колонки ухудшает восприятие стереообраза.

Строение коаксиального драйвера KEF UniQ

Широкополосный динамик, о котором написано выше, просто в силу физики процесса имеет ограничения как по максимальной мощности, так и по частотному диапазону. Кроме того, для широкополосного динамика неизбежна высокая неравномерность АЧХ (выше 10–20 дБ), которую практически невозможно, да и нет смысла компенсировать электроникой либо акустическим оформлением.

Выходом из этой ситуации стал коаксиальный драйвер. На первый взгляд, такой совмещенный динамик выглядит достаточно просто. В двухполосном варианте твитер расположен в центре низкочастотного динамика — традиционные размеры пищалок вполне для этого подходят. Но с инженерной точки зрения такая конфигурация резко затрудняет разработку (расчет) и изготовление подобной системы.

Коаксиальный динамик TAD CST

И это отражается на ее стоимости. Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальном креплении. И все-таки именно «полновесные» коаксиальные системы создают наиболее точный стереоэффект. Поэтому во все времена разные разработчики и компании выпускали коаксиальные драйверы, которые присутствовали в составе их топовых систем.

Специализированные динамики

Воспроизведение звука в условиях, отличных от комнатных, требует применения динамиков, учитывающих эту специфику в свей конструкции. Динамики ландшафтного, шахтного, морского применения должны выдерживать повышенное содержание пыли, способной проникать в магнитный зазор, длительное солнечное излучение, повышенную влажность, воздействие морской соли и других негативных факторов. Для этого в конструкцию вносится серьезные изменения: выбираются материалы, защищаются уязвимые элементы.

Динамики наушников

Для наушников прежде всего пришлось разработать миниатюрные динамики: калибром от 6 до 12 мм для внутриканальных и до 50–60 мм максимум — для накладных моделей. В подавляющем большинстве случаев это широкополосные драйверы. Малый размер облегчает им задачу воспроизведения полного диапазона.

С другой стороны, производство осложняется именно минимальными размерами. Чаще всего диффузор такого динамика сделан из синтетического материала, хотя целлюлоза и другие натуральные волокнистые материалы тоже могут присутствовать. Ввиду требований компактности и низкого веса именно в наушниках наиболее часто используются неодимовые магниты, благодаря которым динамики могут демонстрировать высокую чувствительность — до 120 дБ и выше.

Динамик наушников Apple EarPods

Специфика применения требует, чтобы динамики наушников имели повышенное сопротивление. И если звуковые катушки динамиков акустических систем имеют сопротивление от 2 до 16 Ом (чаще всего от 4 до 8), то динамики наушников имеют сопротивление не ниже 16 Ом, а максимальное значение может достигать 600–800 Ом для профессиональных моделей.

В отдельных моделях наушников, даже внутриканальных, могут использоваться раздельные динамики для разных полос частот — но это редкий случай. Чаще встречается совместное применение излучателей разных типов — динамических и арматурных.

Продолжение следует...


Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Акустические системы: поговорим о звуке (часть 1)

Акустические системы: строение динамика (часть 2)

78.2 дБ +

Комментарии

#

Стоит отметить, что не совсем точно разложены коаксиальные динамики - есть именно коаксиальные - co-axial, со-осные, ВЧ и СЧ расположенные на одной оси - например вот это - классический пример коаксиального расположения ВЧ и СЧ:

и есть coherent - когерентный динамик ( в том числе в терминологии KEF которую они применяют для своих Uni-Q динамиков) когда ВЧ динамик находится не только соосно центру НЧ динамика по одной оси, но еще и по второй - то есть находится ровно там, где находится центр НЧ динамика (собственно то, что они называют "акустический центр") - это просто довольно важно для того, чтобы весь спектр частот излучался как бы из одного динамика, без временных (и как следствие фазовых) искажений.

- 63.42 дБ +
⇡ в ответ @AppleY #

Отличное дополнение! Я затронул этот момент, но вскользь. См. выше: "Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальномкреплении." Норазвивать это направление не стал - довольно специальная область, а текст - он не бесконечный.

Но хочу дополнить и от себя. К сожалению, не рассказал о неосесимметричных конструкциях (в позапрошлом, кажется, году, такая система получила номинацию EISA в автозвуке). Расположене голосовой катушки не по центру диффузора позволило, как ни странно, уменьшить паразитные деформации диффузора и очень интересно "пограться" с диаграммой направленности.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @AppleY #

Согласен и с Вами и с автором статьи - отличное дополнение. Единственное , что хотел бы добавить - Вы , наверное , имели ввиду - СЧ динамик. Так как все варианты соосности и когерентности обычно разработчики (в том числе и KEF) выполняют именно на СЧ-динамиках , а НЧ отдельно сам по себе...Вначале фразы Вы указывали верно.. :-)

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Korelko69 #

Вряд ли этот 12-дюймовый динамик можно причислить к СЧ. По задачам и конструкция и наименование.

- 42.22 дБ +
⇡ в ответ @bluesevich #

Речь шла о конкретном примере уважаемого AppleY. Мы с ним поняли друг друга.))) Приведенный Вами пример принимается и не является исключением из правила..

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Korelko69 #

Да, СЧ конечно же. Точнее сказать будет СЧ и/или мидбас, ибо полно у KEF моделей где Uni-Q один единственный, от LS серии во всех моделях (LS50, LS50 Wireles, LSX) до обычных начальных полочников (Q150, раньше была R100 в R серии, встройка почти вся так сделана, EGG-и разнообразные ну и так далее).

- 50 дБ +
⇡ в ответ @AppleY #

Абсолютно верно... Знаком с продукцией этой фирмы :-) Являюсь одним из пользователей продукции KEF.)))

- 50 дБ +
#

Забавно, что в примерах коаксиальных драйверов не упомянули один из самых извеcтных - Dual Concentric...

- 46.99 дБ +
⇡ в ответ @zerolostfm #

Так а смысл про танной, если про кеф уже занесли... ;)

- 60.79 дБ +
⇡ в ответ @zerolostfm #

Но , самое главное, что при чтении статьи, продукция Tannoy часто приходила на ум..)))

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Korelko69 #

Тогда можно и про Cabasse, они пошли дальше, у них трёхполосный коаксиал. Можно и про LB Horn написать, там четыре полосы. Речь шла в общем то не о брендах, а о типах динамических головок.

Кстати забыли BMR, NXT. изодинамику, планары и прочие электростаты :)) Ну и пьезо-излучатели до кучи :)))

- 59.03 дБ +
⇡ в ответ @bluesevich #

Автор написал, что продолжение следует...)))) Возможно, что часть указанного Вами будет освещена.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Korelko69 #

Ну будем подождать :))

- 59.03 дБ +
#

Искренне не хочу никого обидеть, но материал - настоящий сборник технических ляпов, причем не каких-то узкоспециальных, а практически "школьных".

Пример навскидку, из самого начала. "в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше" - чувствительность акустической системы, а в данном случае ШП-динамика, определяется почти исключительно эффективностью магнитной системы и массой подвижной системы, какие простота и отсутствие?.. И такого - чуть ли не в каждом абзаце. Уж если делаются подобия энциклопедических справочных материалов - не надо их доводить до уровня "одна бабка сказала"...

- 57.78 дБ +
⇡ в ответ @Anxius #

Ну, "продуть" какой нибудь адский пятиполосный кросс это тоже задача, но все это уж куда после будет в сравнении с массой, магнитом и диффузором.

И конструкция у ширика может быть очень-очень не простой, есть тому примеров масса.

- 50 дБ +
#
диффузор должен быть максимально жестким

Вот, вот...

А Паоло Теццион в SF пулю вкручивает в вч головку... зачем??? Есть мнения?

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Wadim #

Это не пуля. Даже в статье и в ответах на вопросы это отражено. Это демпфер.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Wadim #

Об этом недавно уже беседовали (по-моему).. Один из вариантов : "...таким образом гасятся определенные частоты, возможно - резонансные..." Почти одновременно ответили вместе с уважаемым bluesevich...

- 50 дБ +
⇡ в ответ @Korelko69 #

Ага

эффект появления специфических деформаций диффузора
- 50 дБ +
#

Интересненько почиталось. Жаль ничего не сказано о пассивных излучателях и материалах c-cam. Алмазная мембрана вот она что такое? Наверняка это напыление. К-рое ничем, кроме красивого маркетингового хода не является, ибо жесткости ну никак с легкостью не добавит.

- 50 дБ +
⇡ в ответ @SoundExplorer #

Вы специалист по покрытиям? Не можете ли объяснить, почему алмазное напыление не играет никакой роли в жёсткости?

- 50 дБ +
⇡ в ответ @bluesevich #

Да потому что твердость имеет цельный купол, а не наклееная крошка на основу - и именно она(основа) и будет играть роль главную все равно. Не даром она и называется "основа". Если я сразу неправ - опровергните мое утверждение аргументировано, просвятите толково и я соглашусь сразу. Или пафосно промолчите, как обычно не досказав. Да и просвятите меня сирого и убогого про магнитоферрит - куда его заливают - только в пищалки или еще в какие динамики - СЧ или НЧ, и что он дает. Какие магниты лучше в акустике самарий-кобальтовые или с неодимом в к-рый налита магнитоферритовая кашица?

- 50 дБ +
⇡ в ответ @SoundExplorer #

Понятно. Слышали гле-то - приняли за своё :)) Не хочу с вами препираться, и лекции тоже не хочу читать. Всё, что вас интересует можно найти в многочисленных справочниках и учебниках, но только не на форумах и не на видео аудио-гуру.

И основу в B&W не посыпают алмазной крошкой. Как это делается вы сможете узнать зайдя на сайт производителя и посмотрев видео о процессе.

Я понимаю, что вы здесь исключительно за тем чтобы сбрасывать негатив, видимо накапливающийся по работе (судя по вашим комментариями ответам). Мой совет - будьте позитивней. И чуть грамотней.

- 50 дБ +
Чтобы оставить комментарий, войдите, пожалуйста.