Устройство динамика колонки как источника распространения звука – очень интересный момент. С одной стороны, весьма скоро его традиционная конструкция в своем нынешнем облике отпразднует вековой юбилей. С другой — изменения используемых материалов и вариантов соседства элементов являются неиссякаемым источником инженерных идей. И, как следствие – более яркого, совершенного звучания, что шаг за шагом приближает аудиофилов к Его Величеству Совершенному Звучанию.
И если Вы хотите лучше понимать причины восторгов авторов тех или иных обзоров новых акустических систем, настоятельно рекомендуем разобраться, из чего состоит динамик колонки и какое значение имеет каждый из его составляющих.
Строение динамика: наглядно и доступно
Основой любого динамика является каркас, также именуемый нередко «корзиной» или «пауком». В каркас помещены все остальные конструктивные элементы.
В тыльной части каркаса расположен кольцевой зазор, который образован магнитным керном (сердечником) и кольцевым магнитом. Минимальное расстояние между сердечником и кольцевым магнитом, также имеющее форму кольца, обеспечивает максимальное мощное магнитное поле.
В магнитном зазоре располагается звуковая катушка. Она образована путем наматывания на цилиндрический тонкостенный каркас металлической проволоки, что покрывается слоем изолирующего лака. При воздействии магнитного поля, которое возникает при прохождении переменного тока, звуковая катушка движется возвратно-поступательно в соответствии с формой воспроизводимых звуковых колебаний.
Каркас звуковой катушки прикреплен к диффузору. Последний представляет собой подвижный элемент конструкции динамика колонки, непосредственно воспроизводящий звук. Для возможности осуществлять колебания диффузор имеет подвесы – тонкие шайбы с концентрическими выпуклостями. Выполненные из гибкого материала, подвесы диффузора допускают его движение вдоль оси симметрии. Диффузор движется вперед-назад под воздействием голосовой катушки, через которую по безмоментным проводам подается переменный ток.
Передняя часть диффузора закрыта пылезащитным колпачком. Этот предохранительный конструктивный элемент выполняет одновременно защитную и декоративную функцию.
Таким образом, разобрав строение динамика колонки, можно переходить к более детальному рассмотрению специфики каждого из элементов. Различные технологии и материалы, используемые для их создания, определяют колоссальное разнообразие такой высокотехнологичной продукции.
Новое в блогах
Динамик, или «громкоговоритель» – это устройство для преобразования электрических сигналов в акустические и излучения их в окружающее пространство. Разобрав музыкальный центр или любую звуковую колонку (например, сабвуфер) домашнего кинотеатра, Вы обязательно найдёте внутри один или несколько динамиков, отличающихся по габаритам, массе, форме… Обычно динамик имеет круглую (реже – овальную) металлическую раму, к которой приклеен бумажный диффузор с центрирующей шайбой и с катушкой (соленоидом). С другой стороны к раме приклеивается постоянный круглый магнит с керном. Между магнитом и керном имеется свободное пространство, в котором может свободно двигаться катушка.
В Википедии вы можете прочесть, что слово «динамик» всё из себя неправильное, что, оказывается, так в просторечии и жаргоне нередко называют громкоговоритель. Даже какие-то фантазийные мысли высказывают по поводу происхождения слова «динамик». На самом деле всё очень просто. Громкоговоритель по-английски называется «A dynamic loudspeaker» – поэтому и «динамик». Аналогично в годы моего детства «транзистором» называли любой транзисторный радиоприёмник…
На фото 5 представлены два обычных 8-Омных динамика из старых компьютеров.
| Фото 5. Обычный 8-Омный компьютерный динамик (слева) и аналогичный с вырезанным диффузором. На остатках диффузора видна приклеенная к нему гильза, на которой намотана обмотка (справа). |
Как же работает динамик?
Вы можете прочитать в книжках примерно следующее. Магнит с керном создают в пространстве между собой равномерное постоянное магнитное поле. При пропускании через катушку электрического тока, в ней под действием этого постоянного магнитного поля возникает сила Ампера, F = B I l , и катушка начинает двигаться, увлекая за собой диффузор. Колеблющийся со звуковой частотой диффузор создаёт в окружающем воздухе «волны разрежения и сжатия».
Так как на катушку динамика с выходного каскада усилителя мощности подается переменное напряжение (звуковых частот, ~ 20…20 000 Гц), соответственно, с такой же частотой меняется направление тока в катушке. Амплитуда колебаний катушки пропорциональна амплитуде изменения величины силы Ампера, значит, пропорциональна амплитуде изменения силы тока в катушке. Короче, чем больше амплитуда тока в катушке, громче звук.
Примерно так всё и происходит на самом деле. Есть только несколько уточнений.
Как мы уяснили из опыта Эрстеда (см. главу 2), проходящий по проводнику электрический ток индуцирует магнитное поле. Если ток постоянный, то создаваемое этим током магнитное поле – тоже постоянное. Если ток меняется по величине и направлению, то и создаваемое этим током магнитное поле тоже будет переменным, тоже будет меняться по величине и по направлению.
Это можно проверить элементарным способом – приложить к компасу катушку от динамика (или соленоид, изготовленный в прошлой главе) и менять полярность батарейки (см. фото 6). Стрелка компаса начнет вращаться, поворачиваясь к катушке (соленоиду) то красным концом, то белым. Частота колебаний стрелки будет равна частоте переключений полюсов. Можно подать на обмотку динамика переменный ток низкой звуковой (20 Гц), или даже лучше инфразвуковой частоты (1…5 Гц) – стрелка компаса начнёт подрагивать с частотой изменения направления тока. Таким образом мы создаем переменное магнитное поле.
Подобное переменное магнитное поле широко применяется человечеством. Например, для выполнения механической работы – в электродвигателях. А еще – в динамиках.
| Фото 6. Как видно, катушка компьютерного динамика тоже подтверждает открытие Эрстеда и закон Ампера. |
Так вот, физический смысл работы динамика таков. Создаваемое катушкой переменное магнитное поле (излучение) звуковой частоты, «привязанное» к лёгкой катушке, взаимодействуя с постоянным магнитным полем (излучением) постоянного магнита динамика, «привязанным» к массивному постоянному магниту, создает механическую силу, заставляющую колебаться диффузор. Диффузор, толкая своей массой газовые молекулы, упруго взаимодействующие друг с другом, локально изменяет давление в окружающем воздушном пространстве. Эти волнообразные изменения давления газообразной среды, со скоростью распространения звука в воздухе, доходят до наших ушей, складываясь в нашем мозгу в прекрасную музыку или набор непечатных слов, которыми, как я убеждён, меня готов наградить за это объяснение мой давний собеседник по Гайд-парку физико-теоретик Микола Борисiв.
Итак, что мы должны уяснить из главы 3.
1. Постоянный ток в проводнике создает вокруг проводника постоянное по направлению и по величине магнитное поле.
2. Переменный ток в проводнике создает вокруг проводника переменное по величине и по направлению магнитное поле.
3. Магнитные поля, создаваемые материальными объектами (постоянными магнитами или проводниками с током) взаимодействуют друг с другом, создавая силы притяжения и отталкивания.
Кстати, раз уж мы разломали динамик, не лишне будет ещё раз проверить магнитные свойства соленоида, состоящего из двух одинаковых по количеству витков, но «разнонаправленных» катушек. Для этого давайте попробуем катушку динамика аккуратно располовинить и одну из половинок развернуть, как это показано на фото 7.
| Фото 7. Из катушки компьютерного динамика удалена бумажная основа и катушка побелена на две равные части. |
Подключаем батарейку. Наблюдаем, что магнитные свойства катушки динамика опять пропали (фото 8).
| Фото 8. Две половинки катушки компьютерного динамика, включенные «в противофазе», не в состоянии повернуть стрелку компаса. |
Вновь перевернём вторую половинку катушки. Подключим батарейку. Наблюдаем, что стрелка компаса пришла в движение (фото 9).
| Фото 9. Снова включаем половинки катушки компьютерного динамика в «параллель» и наблюдаем магнитный эффект, созданный движущимися в металле электронами. |
Продолжение следует.
Завтра (или послезавтра), короче, в следующий раз мы вспомним азы коротковолновой радиосвязи — тоже применительно к будущему разоблачению фантазий Нильса Бора.
Диффузор динамика
Самым первым материалом, из которого выполнялся диффузор, была целлюлоза. Это объясняется удачным сочетанием жесткости и малого веса, свойственному картону. И до сих пор динамики ряда производителей выпускаются исключительно с целлюлозными диффузорами.
Современные технологии позволяют улучшить эксплуатационные свойства этих элементов. В частности, пропитывая целлюлозную пористую структуру синтетической пропиткой, можно повысить ее прочность и устойчивость к воздействию влаги. Кроме того, с этой же целью активно используются кевларовые, графеновые или выполненные из стеклянных волокон материалы.
Некоторые производители акустики предпочитают использовать алюминиевые сплавы для производства диффузоров. Они обладают повышенной жесткостью и износостойкостью. Существуют также бериллиевые варианты, но они весьма дороги в производстве. Поэтому если речь идет про строение динамика ВЧ купольного типа, наиболее часто используется тканевый вариант с пропиткой и/или армирующим слоем из жесткого композитного материала.
Высокая жесткость – одно из качеств, которое очень важно для этого конструктивного элемента. Разработчики добиваются «поршневого» режима его движения, при котором вся плоскость поверхности диффузора движется синхронно. При этом желательно, чтобы вес этого конструктивного элемента был минимальным.
Диапазон частот
Выше уже было сказано, что большая часть электродинамикой воспроизводит лишь часть частот, которые может воспринимать человек. Сделать универсальный динамик, способный воспроизводить весь диапазон от 16 герц до 20 килогерц невозможно, поэтому частоты поделили на три группы: низкие, средние и высокие. После этого конструкторы начали создавать динамики отдельно для каждой частоты. Это значит, что низкочастотные динамики лучше всего справляются с басами. Они работают на диапазоне 25 герц – 5 килогерц. Высокочастотные созданы для работы с визжащими верхами (отсюда нарицательное имя – «пищалка»). Они работают в частотном диапазоне 2 килогерца – 20 килогерц. Среднечастотные динамики работают в диапазоне 200 герц – 7 килогерц. Инженеры все еще предпринимают попытки создать качественный широкополосный динамик. Увы, цена динамика идет вразрез с его качеством и совершенно не оправдывает его.
Подвес динамика
Центрирующая шайба (она же — внутренний подвес динамика) также отличается прочностью и подвижностью. Эти свойства обеспечиваются особенностью изготовления элемента. Его производят путем прессования прочной ткани с эластичной пропиткой.
Большинство динамиков снабжены одной центрирующей шайбой. Но в конструкции отдельных колонок (как правило, для сабвуферов высокой мощности) применяются две последовательно расположенные шайбы.
Внешний подвес динамика имеет несколько иное исполнение. С начала развития акустического оборудования его делали в виде концентрических волн (гофров) по периметру бумажного диффузора. Сегодня его выполняют чаще всего из синтетических материалов – например, искусственного бутадиенового каучука.
Соединение обоих подвесов динамиков должно быть выполнено таким образом, чтобы вся система осуществляла параллельное возвратно-поступательное перемещение вдоль оси устройства.
Акустическое оформление
Чтобы в полной мере понять, что такое динамик, нельзя обойти стороной тему акустического оформления.
Акустическое оформление — это детали, которые находятся вокруг динамика (если говорить проще, то это его корпус). Далеко не все уделяют ему должное внимание, а зря: от акустического оформления очень зависит итоговый звук, воспроизводимый динамиком.
Звуковая катушка
Следующий немаловажный элемент устройства динамика акустической системы – звуковая катушка. Для ее каркаса применяется широкий спектр материалов – плотная бумага, термостойкие пластики, алюминиевые или титановые сплавы и другие.
На каркасе голосовой катушки чаще всего намотана медная проволока, в отдельных случаях – алюминиевая либо биметаллическая (алюминиевая с омедненным наружным покрытием для оптимизации характеристик проводимости).
Для большей плотности намотки (количества витков) и плотности контакта используют прямоугольную или же шестигранную в сечении проволоку.
В отдельных ВЧ динамиках реализуется заполнение магнитного зазора жидкостью из мелкодисперсного металлического порошка. Такое решение обеспечивает более эффективное охлаждение катушки и положительно сказывается на качестве звучания динамика.
Шайба
Иногда её также называют «пауком». Это увесистая деталь, расположенная между диффузором динамика и его корпусом. В задачи шайбы входит поддержание стабильного резонанса для низкочастотных динамиков. Это особенно важно, если в помещении наблюдаются резкие перепады температуры. Шайба фиксирует положение катушки и всей подвижной системы, а также закрывает магнитный зазор, предотвращая попадание пыли в него. Классические шайбы представляют собой круглый гофрированный диск. Более современные варианты выглядят немного иначе. Некоторые производители намеренно меняют форму гофр так, что повысить линейность частот и стабилизировать форму шайбы. Такая конструкция сильно влияет на цену динамика. Шайбы изготавливают из нейлона, бязи или меди. Последний вариант, как и в случае с колпачком, выполняет функцию мини-радиатора.
Магнитная система
Качество звучания динамика во многом определяется эффективностью магнитной системы. В свою очередь, последняя определяется материалом самого магнита. Если в середине XX века для него использовался особый сплав железа, никеля, алюминия и кобальта, то сейчас подавляющее большинство брендов используют в конструкциях своих магнитных систем феррит.
Еще более эффективно зарекомендовали себя неодимовые магниты. Но проблема в трудности обработки заготовки из неодима ощутимо повышает себестоимость конечной продукции. Как результат, магнитная система динамика на базе неодимовых магнитов используется обычно в акустике верхних ценовых категорий.
Виды акустического оформления
- Закрытое. Динамик устанавливают в середине стенки полой коробки, которая зачастую состоит из пластика или дерева. Главным достоинством такой технологии является ее простота. Главным недостатком — низкий коэффициент полезного действия.
- Фазоинвертор. Динамик крепят по центру стенки полой коробки, которая, как правило, сделана из пластика или дерева, но с той лишь разницей, что под или над ним ставится трубка или создается отверстие. Для чего это необходимо? Содержимым этой трубки выступает заранее рассчитанное количество воздуха, являющееся дополнительным источником звука. При такой схеме устройство создает колебания как внутри коробки, так и за ее пределами. Эти колебания выходят из отверстия, таким образом увеличивая исходящую громкость.
- Закрытое с пассивным излучателем. По конструкции напоминает предыдущий вариант, но в данном случае вторым излучателем выступает не воздух, а динамик, не способный себя двигать.
- Рупор-динамик (или динамик-громкоговоритель). Такое название он получил из-за своего конусообразного корпуса. Как правило, такой корпус сделан из нескольких деталей, но встречаются и цельные конструкции. В случае с рупорами небольших размеров качество воспроизведения звука находится на втором плане, поскольку рупор в несколько раз усиливает громкость и качество от этого сильно не портится. В теории через рупор можно проводить и низкочастотные звуки, но для этого он должен быть просто невероятных размеров.
- Акустический лабиринт. Эта конструкция является своеобразным гибридом второго и четвертого вариантов. Внутри нее находится трубка в форме змейки, а на ее конце присутствует рупор. Зачастую конструкции такого типа применяются для больших концертных сабвуферов.
Корзина динамика
Материал для выполнения этого элемента устройства динамика может быть различным. Как правило, используется штампованная стальная либо вылитая из пластика корзина. Но ее исполнение должно быть высокой точности, потому как каждая десятая доля миллиметра в ее конфигурациях имеет ощутимое значение на качестве звучания акустической системы.
Также очень важно качество посадки элементов в корзину. Звуковая катушка в ходе своего соосного с магнитным зазором движения не должна задевать его краев. Все это накладывает очень серьезные требования к процессу сборки динамика в целом.
Также на сайте у нас есть обзор, с которым Вы можете ознакомиться: Домашний кинотеатр Onkyo HT-S9800: «One Box Кайф»
Как устроены колонки
- Азы акустики: типы акустического оформления колонок. Акустическое оформление динамика определяет корпус колонки, в который помещают громкоговоритель. Корпус может быть устроен по-разному: от простого закрытого ящика до сложной конструкции с вырезанным в дереве лабиринтом. Это статья о различиях в звучании разных видов корпусов и необычных способах акустического оформления: контрапертурных системах с горизонтальным расположением динамиков и рупорных конструкциях.
Фото Audiomania / Инженерная комната в офисе на Барабанном
- Как устроены сабвуферы. В этом материале мы поговорим о том, как разные виды акустического оформления влияют на звучание сабвуфера. Также поделимся практическими советами о том, куда установить сабвуфер, как его настроить и как убедиться, что ваша музыка не будет мешать соседям по дому.
- Как создают DIY-системы: расчет корпуса и фильтров. Руководство для любителей мастерить акустику своими руками: как проектируют колонки с фазоинвертором, как рассчитывают объем корпуса по диаметру динамика и как создают разделительные фильтры.
- Отсекая лишнее: о видах фильтров в акустических системах. Вы узнаете о разных схемах фильтров и о том, какие из них используются для высоких, средних и низких частот. В материале приведены электрические схемы коррекции частотных характеристик акустической системы: подавитель пиков, компенсатор «провалов» и Г-образный аттенюатор.
- Как устроен конструктор акустических систем. Транскрипт подкаста «Звук», в котором Юрий Станиславович Фомин — инженер с многолетним опытом создания акустических систем и главный технический специалист бренда Arslab — рассказывает о конструкторе акустической системы Audiocore Kit. Интервью о том, как зародилась идея создать DIY-комплект и какие в этом преимущества для покупателей. Здесь же вы найдете ссылки на руководство по сборке Audiocore Kit и обзоры конструктора.
Наш Telegram-канал — о звуке и аудиоаппаратуре в микроформате:
Честная Черная пятница Аудиомании Музыка для продуктивной работы Наш гид покупателя: полочные колонки vs напольные Гид для новичка: что важно знать про амбушюры наушников
С 22 по 25 ноября
в «Аудиомании» проходит Черная пятница.
В акции участвует несколько сотен товаров со скидками до 70%. На распродаже представлена самая разная аудиоаппаратура: от наушников и портативных гаджетов до Hi-Fi-аудиосистем.
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.
Электростатические излучатели
Чтобы окончательно дать ответ на вопрос «Что такое динамик?», обязательно нужно рассказать про электростатические излучатели.
Эти устройства состоят из двух статоров, на которые посылают переменные звуковые колебания, и пленки между ними. В качестве последней выступает перфорированный металлический лист, на который подается высокое напряжение. Прозрачность пленки составляет около 50%. Покрыта она диэлектрическим веществом, необходимым для защиты пользователя от негативного влияния высокого напряжения.
Как правильно выбрать громкоговоритель
Если вы покупаете динамики для охранно-пожарной сигнализации, их характеристики должны соответствовать ГОСТ 16122-78 и 9010-78, а также нормативным актам Международного электротехнического комитета. Основные параметры, на которые следует обращать внимание при выборе:
- Характеристическая мощность – показатель звукового давления. Оптимальный вариант – 94 децибела на расстоянии в метр при частотном диапазоне 100-8000 Герц.
- Чувствительность – чем выше мощность, тем ниже чувствительность оборудования.
- Шумовая мощность – показатель среднего уровня звука, который соответствует заявленной производителем мощности громкоговорителя.
- Максимальная мощность – пиковая сила звука, которую устройство может поддерживать в течение часа без вреда для корпуса.
- Номинальная мощность – сила звука, при которой невозможно почувствовать нелинейные искажения.
Мощность и количество громкоговорителей нельзя определить навскидку. Эти параметры рассчитывают, ориентируясь на характеристики помещения, где будет использоваться акустика.
Оборудование подбирают так, чтобы обеспечить равномерное распространение звука. Площадь покрытия рассчитывают выше уровня пола: на высоте 1,6-1,8 м. Наши консультанты помогут вам подобрать громкоговоритель из нашего каталога для любых целей.
Аудиовход
Все компьютерные колонки подключаются к источнику сигнала посредством джека 3,5 мм – именно такой порт встроен в звуковую плату на материнке и в большинство внешних звуковых плат.
Конечно, существуют звуковухи со специфическими портами, поэтому и оборудование требуется подключать соответствующее. Самый распространенный тип интерфейса у профессиональных акустических систем – джек 6,3 мм.
Передающий сигнал кабель может быть припаян «наглухо» к усилителю звукового сигнала или подключаться отдельно – как правило, с помощью штекеров RCA.
Между собой колонки соединяются или с помощью таких же разъемов, или обычным проводом с оголенными концами, который фиксируется с помощью специальных защелок. Кроме того, соединяющие кабеля могут быть также «намертво» приделаны к корпусу и быть неразъемными.
