Современный мир трудно представить без акустических систем, представленных широчайшим ассортиментов, удовлетворяющим самых утонченные запросы настоящим меломанов. А ведь все начиналось с банальной попытки вообще что-то услышать на расстоянии. Речь о качестве звука, о его высоко, средне или низкочастотном диапазоне не шла в принципе, по причине полного неведения.
Физические законы остались прежними, так что с момента изобретения телефона Т. Ватсоном и А. Г. Беллом (1876 год) мало что поменялось, хотя с тех пор совершенствование динамиков (электроакустических преобразователей) достигло невероятных высот.
В конструкциях первых электродинамических динамиках применялась подвеска из ткани, электромагниты питались постоянным током, а катушки были высокоомными. Только в 1925 году инженеры компании General Electric разработали и запатентовали электродинамическую головку, которая очень похожа на современные среднечастотные динамики.
Динамики СЧ (среднечастотные) очень похожи на НЧ-динамики — это как бы уменьшенные их версия. Основная задача данных динамиков — воспроизведение частот в среднем диапазоне, примерно от 200 до 8 кГц.
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.
Сфера применения СЧ динамиков
В оригинальном (англоязычном) варианте названия СЧ динамиков лежит фраза «midrange speaker» (или мидрейндж) пришедшая из автозвука. СЧ динамик работает в наиболее удобном человеческом диапазоне, поэтому человеческим слухом четко определяются любые искажения. Сфера применение необычайно широка, так как громадный спектр деятельности человека связан со звуком.
Это и концертная акустика, и акустические автомобильные системы. В домашних условиях СЧ динамики прекрасно себя зарекомендовали в качестве активных и пассивных акустических системах. Эстрада также применяет самые различные виды среднечастотных динамиков.
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.
Плюсы/минусы СЧ динамиков
В зависимости от конструкции СЧ динамиков различают ряд достоинств и недостатков.
Так, в случае использования небольших СЧ динамиков (пищалок с мягкими куполами) достоинством можно считать хорошее глушение, сглаживание (самодемпфирование), а также достаточно ровная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Отличная импульсная характеристика позволяет добиться открытого естественного звучания, без резонанса. Среди недостатков отмечается тусклый звук и низкие мощностные характеристики.
При эксплуатации металлокупольных пищалок можно отметить звук очень высокого разрешения, благодаря плоским профилям в отличие от мягких конструкций среднечастотников, у которых наблюдаются высокие искажения и ограниченные мощностные возможности
Если же в качестве среднечастотных динамиков используются мидбасовики и широкополосники с бумажными конусами, то у них отмечается очень ровная АЧХ, отличное разрешение и детальность, а так же сглаживание.
Учитывая материл (бумага), который менее жесткий, нежели кевлар или металлы, такие изделия обладают меньшей громкостью.
Если же основываться на конструкции диафрагмы (конусообразная и купольная), то различают следующее:
- купольные диффузоры обладают меньшими модуляционными искажениями, при этом диаграмма направленности у них меньше зависит от частоты. Изделия отличаются небольшим диапазоном воспроизводимых частот, начинающихся с 800-1000Гц, что вызывает определенные неудобства при настройках.
- для конусных головок в СЧ динамиках необходимо обеспечить заданный объем корпуса. В противном случае оптимальным диаметром конусной головки считается «золотой» срединный размер в 10 см.
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.
Виды акустики для машины
Все системы акустики подразделяются на два вида: компонентные и коаксиальные. Устройства коаксиальные просты и легки в монтаже, дешевле по стоимости. Такие устройства не сложно подключить и настроить. Такие системы классифицируют по их диапазонам. Для каждого диапазона предусмотрен соответствующий динамик. Обычно коаксиальная аппаратура заключается в одной колонке.
Динамики для авто
Компонентная акустика отличается отдельным расположением колонок. При грамотной установке подобная система дает отличный звук. Цена компонентного оборудования выше, но и отличие в звуковом качестве колоссальное. Если нет желания затрачивать средства полностью за комплект, можно купить динамики по отдельности. Средние и низко частотные колонки стоят меньше, чем высоко частотные.
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.
