Магия звука с точки зрения физики: всё, что полезно знать о динамиках

На протяжении долгих лет были испробованы различные механизмы формирования звука в ответ на подачу электрического сигнала. Три из них достаточно хороши для разработки серийно выпускаемых акустических систем: это динамический драйвер, ленточный преобразователь и электростатическая панель. В нашей статье – много интересной и познавательной информации о самых распространённых на сегодняшний день, динамических излучателях.

Акустические системы с динамическими драйверами (динамиками) легко идентифицировать по характерным для них конусам и куполам диффузоров. Такие драйверы очень популярны из-за их многочисленных преимуществ: широкий динамический диапазон, высокая чувствительность, а также надёжность.

В акустических системах с динамическими драйверами, как правило, используется комбинация из нескольких излучателей разного размера. Низкие частоты воспроизводятся конусным басовым динамиком, за высокие частоты отвечает твитер – как правило, с небольшим металлическим или тканевым куполом. Многие модели акустических систем также оснащены третьим динамическим драйвером – для воспроизведения отдельно средних частот.

Несмотря на множество возможных вариаций конструкции динамических драйверов, все они работают по одному и тому же принципу. Электрический ток от усилителя мощности протекает через звуковую катушку драйвера и создаёт вокруг неё магнитное поле, которое пульсирует на той же частоте, что и звуковой сигнал. При этом звуковая катушка находится в постоянном магнитном поле, создаваемом установленными в драйвере магнитами. Это постоянное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем, генерируемым током, проходящим через звуковую катушку, попеременно толкая и втягивая катушку. Поскольку звуковая катушка закреплена на конусе драйвера, это магнитное взаимодействие приводит в движение диффузор, формируя звуковые колебания.

Конструкция динамического драйвера также включает в себя центрирующую шайбу, которая удерживает звуковую катушку точно в середине зазора магнитной системы. Корзина динамика представляет собой литую или штампованную металлическую конструкцию, удерживающую всю сборку вместе. Как правило, литые корзины встречаются в высококачественных громкоговорителях, а штампованные – в бюджетных моделях. Кольцо из податливого резинового или полимерного материала, называемое подвесом, соединяет диффузор с ободом корзины. Гибкий подвес позволяет диффузору перемещаться, будучи при этом закрепленным на корзине динамика.

Диффузоры зачастую изготавливают из бумаги, которая может быть пропитана упрочняющим веществом, а также различных видов пластиков, например, полипропилена, либо металлов и других экзотических материалов – углеродного волокна, кевлара (материал, используемый в пуленепробиваемых жилетах) и запатентованных композитов.

Иногда разработчики используют специальную комбинацию («сэндвич») из нескольких материалов, чтобы предотвратить искажения, называемые волнами изгиба: они происходят когда материал диафрагмы (конуса) изгибается вместо того, чтобы двигаться как идеальный поршень. Поскольку конус приводится в движение на небольшой площади внутри (размером с звуковую катушку), он имеет тенденцию изгибаться, что приводит к нелинейным искажениям. Предотвратить подобные искажения помогают более жесткие материалы диффузора. Хотя все динамические драйверы демонстрируют склонность к появлению волн изгиба на определенной частоте, опытные разработчики акустических систем гарантируют, что на драйвер не будут поступать частоты, которые могли бы вызвать подобные искажения.

В идеале, конус должен быть легким, а также жестким. Более легкий конус обладает меньшей инерцией, что позволяет ему быстрее реагировать на звуковой сигнал и быстрее останавливаться после его прекращения. Представьте себе удар бас-барабана. Большой и тяжелый конус может быть не в состоянии двигаться достаточно быстро, чтобы точно воспроизвести атаку, и это уменьшит динамическое воздействие музыкального инструмента. Аналогичным образом, как только удар барабана закончится, тяжёлый конус будет стремиться продолжить движение.

Именно поэтому разработчики акустических систем и динамиков находятся в постоянном поиске новых материалов для производства диффузоров, сочетающих в себе высокую жесткость с небольшой массой. Многие достижения в области проектирования громкоговорителей за последние 20 лет стали результатом исследований, которые позволили создать более лёгкие и одновременно более жёсткие диафрагмы.

Высокочастотные динамики (твитеры) работают по аналогичному принципу, но как правило, вместо конуса в них используется 1-дюймовый купол: он может быть выполнен из пластика, прорезиненного плетёного волокна, титана, алюминиевых сплавов. В последнее время наблюдается тенденция к изготовлению диафрагм твитеров из бериллия и даже алмазов. Эти материалы, некогда использовавшиеся только в очень дорогих флагманских моделях, теперь устанавливаются и в более доступные акустические системы.

В отличие от конических драйверов, которые приводятся в движение на вершине конуса, излучение купольных диафрагм исходит от внешней части купола. В некоторых твитерах также используется ферромагнитная жидкость – специальный хладагент, предназначенный для отвода тепла от звуковой катушки.

Среднечастотные драйверы – это, как правило, уменьшенные версии конусных НЧ-динамиков. Однако некоторые среднечастотные динамики используют купольные диафрагмы вместо более привычных конусов.

Динамическая компрессия

Когда динамический драйвер играет громко, ему необходимо рассеивать большое количество тепла от своей звуковой катушки. По мере того как звуковая катушка нагревается, её электрическое сопротивление возрастает, уменьшая количество тока, проходящего через проводник. Поскольку именно ток, проходящий через звуковую катушку, приводит конус динамика в движение, повышенное сопротивление катушки уменьшает количество воспроизводимого звука. Другими словами, вы можете продолжать увеличивать подаваемую мощность, однако динамик достигнет определённого уровня, после которого он уже не будет играть громче.

Это явление, называемое динамической компрессией, очевидным образом влияет на звучание. В частности, на пиках громкости воспроизведение может быть не таким уверенным, как следовало бы. Разработчики динамиков борются с этим явлением, создавая драйверы с увеличенными звуковыми катушками и специальными субстанциями, которые естественным образом охлаждают катушку.

Существует ещё один механизм, из-за которого звуковые излучатели могут производить искажения. Когда динамик, двигаясь с большой амплитудой, воспроизводит громкий звук, края его звуковой катушки могут на мгновение покинуть магнитное поле, что лишает драйвер его способности двигаться точно в ответ на подводимый сигнал, ухудшает динамику звучания и формирует искажения. Эта проблема решается путем разработки драйверов с короткой звуковой катушкой и более длинным зазором магнитной системы.

Стоит отметить, что динамический драйвер также может достичь предела своей производительности, что проявляется хлопающими звуками или треском из НЧ-динамика. Это происходит, поскольку каркас звуковой катушки ударяется о тыльную часть магнитной системы. Если вы услышите подобные посторонние звуки, самое лучшее решение – немедленно уменьшить громкость.

Возможные неисправности динамических драйверов

Самая распространённая проблема – это перегоревший динамический драйвер. Как правило, «жертвами» становятся твитеры, которые внезапно попросту перестают воспроизводить звук. Высокочастотные динамики часто выходят из строя из-за слишком большого тока, протекающего через их звуковые катушки. Из-за того, что твитер не может достаточно быстро рассеять тепло, его звуковая катушка сгорает и перестаёт пропускать ток.

Другая распространённая причина отказа динамиков – дребезжание, обусловленное ослабленной звуковой катушкой. Слишком большой ток, проходящий через катушку, расплавляет клей и ослабляет намотку проволоки, которая затем трется о магнит, вызывая жужжащий призвук. К тому же, крепёжные болты могут со временем ослабнуть и ухудшить производительность, позволяя вибрировать всему динамику, а не только его диффузору.

Электромагнитный динамический драйвер

Динамические драйверы, описанные выше, в конечном счёте сталкиваются с определёнными ограничениями. В частности, сила магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, ограничена, что, в свою очередь, накладывает ограничения на массу диффузора, нижнюю частоту и чувствительность драйвера. Тяжелый диффузор способен воспроизводить более низкие частоты (при прочих равных условиях), однако требует более мощного магнитного поля, чтобы привести звуковую катушку в движение. Это особенно актуально для больших низкочастотных динамиков.

Решением этой проблемы являются электромагнитные драйверы, в которых вместо постоянных магнитов используется большая катушка, выступающая в роли электромагнита. Катушка приводится в действие током, поступающим от подключенного в сеть внешнего источника питания. Этот ток создает магнитное поле, при взаимодействии с которым поле, генерируемое звуковой катушкой, приводит диффузор в движение.

Электромагнит гораздо более эффективен, а следовательно, низкочастотный динамик можно сделать более тяжелым, что дает ему более низкую резонансную частоту. Кроме того, басовую отдачу НЧ-динамика можно регулировать, изменяя силу тока, проходящего через катушку, при помощи регулятора на сетевом блоке питания. Таким образом, можно настроить басовую отдачу электромагнитного НЧ-динамика, исходя из собственных вкусов и акустики помещения.

Хороший пример использования электромагнитного драйвера – низкочастотные динамики в акустических системах Focal Grande Utopia EM. Их басовые динамики отличается очень высокой чувствительностью (97 дБ / 1 Вт), но очень низким резонансом (24 Гц). Другими словами, НЧ-динамик воспроизводит много очень басов при малой входной мощности. Цена такой производительности – потребность во внешнем источнике питания, который должен быть подключен к розетке переменного тока, а также большой вес: 16-дюймовый басовик Grande Utopia EM весит почти 30 кг, 20 из которых приходится на электромагнитную катушку.

Выводы

Динамические драйверы обрели свою популярность совершенно заслуженно, ведь даже с учётом всех имеющихся у подобной конструкции недостатков, они остаются максимально сбалансированным и универсальным решением, позволяющим создавать высококлассные акустические системы, доступные большинству ценителей качественного звучания.