Теория акустических систем: 16 материалов о том, как устроены динамики и колонки

Краевой гофр

Этот элемент также называют «воротником». Это пластиковая или резиновая окантовка, описывающая электродинамический механизм по всей площади. Иногда в качестве основного материала применяют натуральные ткани со специальным, ослабляющим колебания покрытием. Гофры делятся не только по типу материала, из которого они изготовлены, но и по форме. Самый популярный подтип – полутороидальные профили.

К «воротнику» предъявляют ряд требований, соблюдение которых говорит о его высоком качестве. Первое требование – высокая гибкость. Резонансная частота гофра должно быть низкой. Второе требование – гофр должен быть хорошо закреплен и обеспечивать только один тип колебаний – параллельный. Третье требование – надежность. «Воротник» должен адекватно реагировать на перепады температуры и «нормальный» износ, сохраняя свою форму длительное время.

Для достижения наилучшего баланса звучания в низкочастотных колонках используют резиновые гофры, а в высокочастотных — бумажные.

Краевой гофр

Этот элемент также называют «воротником». Это пластиковая или резиновая окантовка, описывающая электродинамический механизм по всей площади. Иногда в качестве основного материала применяют натуральные ткани со специальным, ослабляющим колебания покрытием. Гофры делятся не только по типу материала, из которого они изготовлены, но и по форме. Самый популярный подтип – полутороидальные профили.

К «воротнику» предъявляют ряд требований, соблюдение которых говорит о его высоком качестве. Первое требование – высокая гибкость. Резонансная частота гофра должно быть низкой. Второе требование – гофр должен быть хорошо закреплен и обеспечивать только один тип колебаний – параллельный. Третье требование – надежность. «Воротник» должен адекватно реагировать на перепады температуры и «нормальный» износ, сохраняя свою форму длительное время.

Для достижения наилучшего баланса звучания в низкочастотных колонках используют резиновые гофры, а в высокочастотных — бумажные.

Основным излучающим объектом в электродинамике является диффузор. Диффузор динамика представляет собой некий поршень, который двигается по прямой вверх-вниз и поддерживает амплитудно-частотную характеристику (далее АЧХ) в линейном виде. При повышении частоты колебаний диффузор начинает изгибаться. Из-за этого появляются так называемые стоячие волны, которые, в свою очередь, приводят к провалам и подъемам на графике АЧХ. Для минимизации этого эффекта конструкторы используют более жесткие диффузоры, изготовленные из материалов меньшей плотности. Если размер динамика составляет 12 дюймов, то диапазон частот в нем будет варьироваться в пределах 1 килогерца для низких частот, 3 килогерц для средних и 16 килогерц для высоких.

  • Диффузоры могут быть жесткими. Они сделаны из керамики или алюминия. Такие изделия обеспечивают наименьший уровень искажения звука. Динамики с жесткими диффузорами стоят гораздо дороже аналогов.
  • Мягкие диффузоры делают из полипропилена. Такие образцы обеспечивают наиболее мягкое и теплое звучание за счет поглощения волн мягким материалом.
  • Полужесткие диффузоры представляют собой компромиссный вариант. Они делаются из кевлара или стеклоткани. Искажения, провоцируемые таким диффузором, выше, чем у жестких, но ниже, чем у мягких.

Колпачок представляет собой оболочку из синтетики или ткани, основная функция которой – защита динамиков от пыли. Помимо этого, колпачок играет немаловажную роль в формировании определенного звучания. В частности, при воспроизведении средних частот. С целью наиболее жесткого закрепления колпачки делают округлой формы, придавая им небольшой изгиб. Как вы наверняка уже поняли, разнообразие материалов как раз-таки связано с тем, чтобы достичь определенного звучания. В ход идет ткань с различным пропитками, пленки, композиции целлюлозы и даже металлические сетки. Последние, в свою очередь, выполняют еще и функцию радиатора. Алюминиевая или металлическая сетка отводит излишки тепла от катушки.

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

Эффективность магнитной системы динамика определяется, в первую очередь, материалом магнита. Самый распространенный — феррит. В середине прошлого века были распространены магниты из сплава AlNiCo (железо-алюминий-никель-кобальт), в отдельных случаях этот вариант до сих пор применяется. В новейший исторический период все большее распространение получают неодимовые магниты, создающие гораздо более сильное магнитное поле. Проблемой здесь стало получение неодимовой заготовки нужных размеров: неодим — материал труднообрабатываемый. Кроме того, стоимость неодимовых магнитов в последнее время растет.

Как выбрать?

Подавляющее большинство колонок относится к универсальным аудио вариантам. Принятые стандарты позволяют подключать одни и те устройства как к ПК, так и к телевизору с плеером и даже использовать на вечеринках. Но учитывая разницу эксплуатационных условий, колонки подразделяют на несколько категорий. Мобильное оборудование с питанием от USB-порта традиционно применяется для подключения к планшету либо ноутбуку, также их можно установить на велосипед. Такие стерео колонки не могут похвастать высоким качеством звучания, но если громкости встроенной аудиосистемы недостаточно, то колонки смогут решить проблемы со звуковоспроизведением в небольших помещениях. Основное преимущество таких моделей — доступная стоимость.

Для домашнего и игрового оборудования требования немного выше — тут далеко не редкость присутствие дополнительных динамиков и сабвуферов, которые позволяют добиться объемного звучания. Аудиоколонки для hi-fi домашнего компьютера часто содержат дополнительные сателлиты, имеют довольно широкий частотный диапазон и высокую мощность. Соответственно, и стоимость у них достаточно высока.

В следующем видео вас ждет сравнение бюджетных колонок Microlab, Edifier и Sven.

История создания

Александр Грэм Бэлл запатентовал первую электродинамическую головку как одну из составляющих частей телефона. Это произошло в 1876-1877 гг. А уже в 1878 году конструкцию усовершенствовал Вернер фон Сименс. В 1881 году Никола Тесла тоже сделал заявление об изобретении устройства похожего типа, но не занялся его патентованием. В это же время Томас Эдисон заполучил британский патент на систему, которая могла задействовать сжатый воздух в роли механизма звукового усиления в ранних роликовых фонографах, но в итоге установил обыкновенный рупор из металла.

В 1898 году Х. Шорт запатентовал устройство громкоговорителя, управление которого осуществлялось при помощи сжатого воздуха. После этого он продал права на свою разработку Чарльзу Парсонсу.

Часть компаний, среди которых были и Victor Talking Machine Company, и Pathe, специализировалось на выпуске проигрывателей, в конструкции которых присутствовали головки, управляемые сжатым воздухом. Но устройства указанного типа использовались ограниченно, потому что не могли выдавать хорошего качества звука. На низкой громкости стойкого звучания добиться было невозможно. Разновидности этих систем задействовались в звукоусилительных установках и в редких случаях в промышленных (в испытательной технике) масштабах.

Нынешняя конструкция головки, имеющей подвижную катушку, была разработана специалистом Оливером Лоджем в 1898 году. Принцип работы этой детали был запатентован в 1924 году Честером У. Райсом и Эдвардом У. Келлогом.

Первые ГД с электромагнитами отличались громоздкими габаритами. Постоянные магниты, отличающиеся высокой мощностью, были труднодоступными, поскольку стоили дорого. Обмотка электромагнита, которая назвалась полевой, намагничивается благодаря току, что идет по иной обмотке головки.

Качественный уровень акустических звукозаписывающих систем до наступления 1950-х годов был не самым высоким. Дизайн корпусной части устройств обновляется по сей день. Больше внимания стало уделяться и материалам, использующимся в производстве техники, что благотворно сказалось и на непосредственном качестве звукового воспроизведения.

Твитер

Твитер (высокочастотный динамик, пищалка) и следующие спикеры – результат того, что широкополосник не способен воспроизвести весь диапазон слышимых ухом частот эффективно. А значит, остается их разделять и возлагать функции воспроизведения различных спектров частот на несколько раздельных драйверов.

Пищалка характеризуется небольшой площадью диффузора. При этом мембрана отличается малым весом и высокой жесткостью – ей предстоит осуществлять колебания с высокой частотой.

Если говорить про конструктивные исполнения подобных элементов, то чаще всего акустические системы оснащаются ВЧ-динамиками купольного типа. При этом варианте центральное тело «пищалки» занимает почти всю площадь излучающей звук мембраны. Последняя изготавливается чаще всего из ткани, пропитанной для повышения жесткости специальными составами. Хотя для устройства динамиков высоких частот многие производители используют и более жесткие материалы – например, бериллий.

Очень важным для пищалки является частота собственного резонанса, что должна быть ниже полосы воспроизводимых частот. В противном случае, на близких к нему частоту система «усилитель-динамик» обеспечивает ощутимые искажения сигнала в слышимой ухом человека части звукового спектра. Для этих целей используется кроссовер, ограничивающий рабочий диапазон частот высокочастотника и обрезающий частоты его резонанса.

Устройство акустических колонок

Итак, мы выяснили, что сами по себе акустические излучатели (громкоговорители) не способны обеспечить хорошее качество звучания в широком диапазоне частот — прежде всего в области низких частот. На первых порах роль акустического оформления играл ящик, или корпус, электроакустических устройств — например, проигрывате­лей, радиоприемников или магнитофонов. Однако такое акустическое оформление редко было удачным — помимо динамиков корпус был забит шасси устройства, многочис­ленными печатными платами, проводниками и т. д. Неред­ко они имели свои частоты резонанса, что вело ко всяким призвукам (например, дребезжанию) и снижению эффек­тивного объема ящика, ухудшающему воспроизведение нижних частот. К тому же акустическая вибрация элект­ронных компонентов ухудшала их работу и нередко (осо­бенно у проигрывателей грампластинок) вела к акустичес­кому самовозбуждению.

В современных электроакустических устройствах (кро­ме телевизоров и миниатюрных проигрывателей и прием­ников) используются отдельные акустические системы — колонки. Они поставляются вместе с магнитолами и музыкальными центрами или продаются отдельно. От качества звуковых колонок, прежде всего, зависит качество звучания вашей аппаратуры. Поэтому полезно знать осо­бенности колонок разного типа, особенно если вы имеете возможность приобрести их отдельно .

Роль звуковых колонок так же уникальна, как и микрофонов. Они являются конечным элементом элект­роакустического тракта и обеспечивают преобразование электрических сигналов вновь в звуковые волны. Вопреки эмоциональным возгласам о звучании усилителей, тюне­ров, проигрывателей всех мастей и т. д. на самом деле звучат лишь звуковые колонки да головные телефоны. Естественно, если подаваемый на них сигнал искажается другими устройствами, это сказывается на общей оценке качества звучания.

Но и этого мало — две (или несколько) звуковых колонок должны создавать звуковое поле, которое реаль­но создается множеством (подчас десятками) источников звука, реально расположенных в пространстве. А это, в отличие от приема звуков двумя микрофонами — «уша­ми», куда более сложная задача. К тому же излучатели колонок работают с сигналами высокого уровня (напря­жения — вольты и десятки вольт, токи — амперы и десятки ампер). Поэтому проблема обеспечения линейности зву­кового тракта стоит очень остро.

Никакой усилитель с множеством наворотов или CD-проигрыватель с его мощью цифровых преобразований не может дать мало-мальски качественное звуковоспроизведе­ние, если совместно с ними используются низкокачествен­ные звуковые колонки. Впрочем, чтобы получить действи­тельно натуральный звук, нужно применять качественные элементы во всем тракте звуковоспроизведения — как изве­стно, даже обычная цепочка рвется в том месте, где у нее слабое звено.

Акустическая, или звуковая, колонка представляет собой один или несколько излучателей звука (чаще всего динамиков), размещенных в общем корпусе — ящике. Основное назначение корпуса — устранение акустическо­го короткого замыкания для звуков в области низких частот, разделение в пространстве отдельных излучателей и устранение влияния их друг на друга, акустическое демпфирование излучателей и, наконец, придание колон­ке соответствующего эстетического вида .

Как правильно подключить динамики к магнитоле в машине

Автомобиль с точки зрения акустических свойств имеет не самые лучшие характеристики. Салон имеет сложную архитектуру, в нем находятся конструкции, выполненные из различных материалов: металл, обивка, пластмасса, резина и др. Редко какой производитель специально оптимизирует салон для обеспечения качественного звучания.

Тем не менее, штатные места установки динамиков выбираются с точки зрения обеспечения наибольшей эффективности распространения звука. Обычно они находятся в дверях, на передней панели, под задним стеклом. Если вы решили установить более мощные динамики, необходимо демонтировать старую систему, измерить их посадочные размеры (диаметр в дюймах и глубину) и приобрести динамики таких же размеров, но с лучшими характеристиками.

Также необходимо выбирать динамики (колонки) с точно таким же внутренним сопротивлением. Стандартное значение сопротивления – 4 Ома. Есть магнитолы повышенной мощности, которые допускают нагрузку 2 Ома. Если их подключить на 4-омные динамики, потеряется мощность. Если вы подключаете новую автомобильную магнитолу, то следует по справочникам или техническому описанию точно определить мощность и сопротивление нагрузки. В том случае если динамики имеют меньшее сопротивление, чем допускает магнитола, последняя может выйти из строя, если большее – не удастся «раскачать систему на всю мощу».

Нельзя подключать дополнительные динамики и колонки параллельно. При этом сопротивление нагрузки уменьшается. В лучшем случае динамики будут хрипеть, в худшем – перегорит усилитель магнитолы.

Многие автолюбители устанавливают дополнительные колонки в багажник. В этом случае их обязательно следует жестко закрепить. Во-первых, это улучшит акустические параметры. Во-вторых, защитит динамики от преждевременного выхода из строя.

Некоторые магнитолы имеют сложную систему подключения динамиков, колонок и сабвуферов. В нее могут входить разделительные фильтры, устройства сопряжения по амплитуде выходов и входов, дополнительные усилители. В таком случае необходимо найти оригинальную схему подключения динамиков к магнитоле подобную такой.

Если решите устанавливать систему такого уровня, но не имеете соответствующих навыков, лучше воспользоваться услугами специалиста. Одновременно следует задуматься о дополнительной шумо- и звукоизоляции вашего автомобиля.

Конструкция СЧ динамика

Учитывая, что человеческий голос в основном попадает на средние частоты звукового диапазона, то именно качественная составляющая конструкции СЧ динамиков была главной задачей. Человеческий мозг абсолютно адаптирован именно к средним частотам, так как на них поступает львиная доля звуковой информации. Это обуславливало высокие требования к среднечастотным акустическим системам вообще и СЧ динамикам в частности.

Учитывая общие принципы, конструкция динамика схожа с изделиями, относящимися к низкочастотным. Отличие заключается в габаритных размерах, которые меньше и компактнее. Это необходимо для расширения диаграммы направленности на верхних эшелонах звукового диапазона.

Рис. 1. Конструкция СЧ динамика

Как правило, среднечастотный динамик содержит в своей конструкции (см. рис. 1.):

  • центрирующая шайба (1);
  • диффузор (2);
  • подвес гофрированный (3);
  • звуковая катушка (4);
  • нижняя пластина (5);
  • магнитная система (6);
  • верхняя пластина (7);
  • корзина (8);
  • колпачок пылезащитный (9).

У СЧ динамиков диафрагма конусообразная (коническая), реже встречается купольная вариация. Последняя служит для обеспечения качественного звучания в верхних частотах диапазона. Конусообразная диафрагма обладает более широкой характеристикой направленности на высоких частотах. Различают жесткие и мягкие диафрагмы.

Диффузоры с конусообразной конструкцией предназначены для частот в диапазоне от 200 Гц до 5 кГц. При этом габариты таких СЧ динамиков ограничены 12,5–20 см, так как наблюдается достаточно узкая направленность. Размер купольных вариаций диффузоров измеряется в пределах 4–8 см, а диапазон — от 600 Гц до 8 кГц. 

Осуществляются изыскания и новых материалов, которые используются в качестве наполнителей при создании комбинированных диффузоров. Так достигается еще большая степень рассеивания звуковой волны во всех направлениях. Цель — достижение равномерного звукового поля.

Как выявить неисправный элемент динамика без разборки?

Все неисправности динамиков можно условно разделить на «механические» и «электрические». Однако некоторые электрические дефекты отличить от механических на слух очень сложно.

Если никаких внешних изменений, таких как разрушение гофра или диффузора не выявлено, но при этом появились посторонние призвуки в виде потрескивания или происходит периодическое пропадание звука, то сначала следует проверить гибкие выводы.

Для этого подключают стрелочный омметр к клеммам динамика и шевелят косички при неподвижном диффузоре. Если при этом стрелка омметра двигается, значит, гибкий вывод повреждён.

К другим электрическим дефектами относятся обрыв катушки и замыкание части витков катушки или всей катушки. Эти дефекты также можно выявить при помощи омметра.

Если гибкие выводы и катушка «звонятся» как исправные, то можно попытаться выявить источник паразитных призвуков при помощи генератора низкой частоты.

Get the Flash Player to see this player.

Для этого на вход усилителя подают сигнал задающего генератора.

Ссылка на портативную программу генератор низкой частоты есть в «Дополнительных материалах».

Частично отклеившуюся катушку или часть витков можно выявить, плавно меняя частоту генератора или включив генератор в режим ГКЧ (Генератор Качающейся Частоты).

При проверке этого динамика был использован диапазон ГКЧ 20Гц…2кГц с периодом 3 секунды. В данном динамике, видимо, отклеилась существенная часть катушки так как призвуки слышны в большом диапазоне частот. Если от гильзы отклеивается небольшой фрагмент катушки, призвуки могут появляться только на какой-нибудь отдельной частоте, и только тогда, когда повреждённый элемент конструкции входит в резонанс.

В некоторых случаях, для выявления неисправности, полезно использовать генератор инфранизких частот. Это может помочь выявить, например, дефекты склейки резинового гофра с диффузором. Стрелкой показано место, где формируется призвук.

Get the Flash Player to see this player.

Затирание гильзы о керн или катушки об внутреннюю поверхность верхнего фланца также можно вывить на частоте в несколько герц, если слегка прижать пальцами волны гофра.

Конечно, для дефектовки динамиков на слух, требуется некоторый опыт, но он быстро приходит, так как характер и тембр паразитных призвуков соответствует размеру и материалу конструктивных элементов динамика.

Более серьёзные повреждения динамиков выявить ещё проще.

Так, например, если при переворачивании динамика что-то слышно, то значит, от гильзы отвалилась часть витков или вся катушка.

Если диффузор двигается очень плохо, то, скорее всего, катушка слетела и заклинила гильзу в магнитном зазоре.

Если диффузор вообще не двигается, то, возможно, сдвинулся керн и заклинил катушку вместе с гильзой.

Никогда не пытайтесь разбирать такой динамик, предварительно не освободив гильзу, так как это может привести ещё и к повреждению диффузора.

Вернуться наверх к «Навигации».

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.

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.

Подвес динамика

Внутренний (ближний к магниту) подвес динамика еще называют центрирующей шайбой. Чаще всего эту деталь формуют на прессе с нагреванием из легкой, крепкой на разрыв ткани с эластичной синтетической пропиткой — прочно и подвижно. В некоторых мощных низкочастотных динамиках применяются две центрирующие шайбы, расположенные одна за другой.

С внешним подвесом все немного сложнее. Изначально он делался в виде концентрических волн (гофров) по внешнему краю бумажного диффузора. Так в некоторых случаях поступают и сейчас, добавляя синтетическую пропитку зоны гофров. Для больших амплитуд колебаний внешний подвес делают из резины, чаще всего это — искусственный бутадиеновый каучук. Резиновый подвес в сечении, в большинстве случаев, представляет собой выпуклую дугу. Есть варианты и «многоволновых» резиновых подвесов, либо применения других профилей, в том числе и переменных по углу.

Оба подвеса должны обеспечить строго плоско-параллельное возвратно-поступательное движение всей подвижной системы динамика с минимальными отклонениями в сторону от его оси.