Что значит широкополосные динамики

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.

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Источник

Как выбрать широкополосные динамики в машину

Зачем нужны широкополосные динамики

Нет надобности кому-либо объяснять, зачем нужны широкополосные динамики – это основные динамики любой аудиосистемы, не только автомобильной. Зачем нужен широкополосный динамик в машине, в которой нет аудиосистемы – понятно каждому. Но зачем он может понадобиться автолюбителю, в машине которого уже стоит штатная аудиосистема? Затем, что на аудиосистеме производители часто экономят, устанавливая недорогие однополосные динамики, которые средние частоты еще кое-как вытягивают, а «верха» и, особенно, «низы» режут нещадно. Не надо быть меломаном, чтобы заметить исчезновение бас-гитары в любимой композиции, а недорогой «однополосник» такой фокус запросто может обеспечить. Проще всего спасти ситуацию, заменив штатные динамики на коаксиальные или на более качественные широкополосные, с расширенным частотным диапазоном.

Компонентная автоакустика

Но все же наиболее распространенная причина замены штатного (иногда даже коаксиального) динамика на широкополосный – создание компонентной автоакустики, т.е., такой аудиосистемы, в которой звук разделяется по частотам и каждую полосу частот озвучивает отдельный динамик: ВЧ – твитеры, СЧ – широкополосные динамики, НЧ – сабвуферы. Пока что именно компонентная автоакустика считается наилучшим решением для обеспечения чистоты и качества звука.

Определившись с тем, зачем вам нужен широкополосный динамик, можно приступить к подбору конкретной модели по её характеристикам.

Характеристики широкополосных колонок.

Динамики JVC CS-V618. Диаметр 16,5 см. Минимальная частота 42 Гц Динамики Pioneer TS-1001I. Диаметр 10 см. Минимальная частота 38 Гц

Размер динамика. Нельзя однозначно утверждать, что чем больше динамик, тем лучше у него звучат низкие частоты и тем хуже – высокие. Но хорошо играющий НЧ динамик, скорее всего, будет большого диаметра, просто по той причине, что большому диффузору проще создать большое звуковое давление и поддержать громкость звука на низких частотах. В то же время иной 10-сантиметровый динамик обеспечивает лучшее звучание НЧ, чем другой 15-сантиметровый. Поэтому, выбирая широкополосный динамик в автомобиль, на диаметр следует обратить внимание как на чисто геометрическую характеристику вместе с посадочной глубиной: влезет ли динамик в предполагаемое место установки. А соответствие его выбранной роли лучше проверять по диапазону частот и амплитудно-частотной характеристике.

При одинаковом частотном диапазоне АЧХ второго динамика (синий цвет) в рабочем диапазоне ровнее. Качество звучания этого динамика будет лучше.

Минимальнаяи максимальная частота динамика – одни из важнейших его параметров, определяющие качество звука будущей аудиосистемы. Человеческое ухо слышит звуки частотой от 20 до 20000 Гц, и, чем лучше частотный диапазон аудиосистемы будет покрывать диапазон слышимых частот, тем полнее будет её звук. Если вы выбираете однополосный динамик, он должен охватывать как можно более широкий диапазон – минимальная частота должна быть близка к 20 Гц, насколько это возможно (30-40 Гц – вполне хороший показатель), а максимальная – закрывать слышимый диапазон полностью, т.е. 20000 Гц. Если в паре с динамиком предполагается использовать сабвуфер, требования к минимальной частоте смягчаются. Такой двухполосный динамик может иметь минимальную частоту в 100 и более герц. Если предполагается использовать твитер, то снижается требование к максимальной частоте.

И, если вам важно качество звука, перед покупкой динамика постарайтесь увидеть его график зависимости амплитуды от частоты – амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) – чем он ровнее в диапазоне воспроизводимых частот, тем лучше будет звукопередача.

Частотный диапазон второго динамика (синий цвет) шире. Но при условии использования сабвуфера следует выбрать первый динамик, так как в среднечастотном диапазоне у него более ровная АЧХ.

Следует ли при выборе многополосного динамика отдать предпочтение тому, чей диапазон уже? Скорее всего, да. Ровную АЧХ намного проще обеспечить на небольшом диапазоне, поэтому динамик с узким частотным диапазоном, скорее всего, будет иметь на этом участке более ровную АЧХ, чем динамик с широким диапазоном.

Количество полос определяет, сколько динамиков должно быть в комплекте с данным, чтобы обеспечить полное покрытие слышимого диапазона. Однополосный динамик может быть единственным динамиком системы, обеспечивая качество звука хоть и далекое от идеального, но достаточное, скажем, для прослушивания радио. Двухполосные динамики требуют дополнительно наличия сабвуфера или твитера – точнее можно сказать, посмотрев на максимальные и минимальные частоты. Трехполосные динамики требуют и сабвуфера и твитера.

Импеданс или внутренне сопротивление динамика должно в точности поддерживаться усилителем. Если подключить динамик с импедансом 2 Ом к выходу, рассчитанному минимум на 4 Ом, то выходной каскад усилителя может перегореть, не выдержав вдвое возросших токов. Если же наоборот, подключить нагрузку на 8 Ом к выходу, рассчитанному максимум на 4, то звук динамика будет намного тише, чем если подключение производилось бы правильно.

Иногда для увеличения звукового давления к усилителю подключают несколько динамиков. Тогда их общий импеданс считается по формуле, соответствующей типу подключения.

Чувствительность характеризует создаваемое динамиком звуковое давление, показывая, насколько громко (в дБ) будет звучать поданный на вход сигнал в 1Вт на расстоянии 1м от динамика. Для устройств сравнимой мощности – чем больше чувствительность, тем громче звук. Чем ниже чувствительность, тем мощнее должен быть усилитель для создания звука той же громкости.

Динамики с различным материалом диффузора

Материал диффузора. К диффузору динамиков предъявляются противоречивые требования – он должен быть максимально жестким для мгновенной передачи ускорения катушки на всю поверхность диффузора, и, в то же время, он должен хорошо демпфировать любые колебания для предотвращения «звона». Производители постоянно ведут разработку новых материалов, пытаясь добиться идеального баланса между жесткостью и демпфированием.

Бумага или целлюлоза – старейший из материалов диффузоров до сих пор остается неплохим решением за счет высоких демпфирующих способностей и неплохой жесткости. К недостаткам можно отнести невысокую механическую прочность и восприимчивость к атмосферным воздействиям.

Полипропилен (IMPP) недорог, прочен, имеет хорошую демпфирующую способность и устойчив к атмосферным воздействиям (для автомобильного динамика это важно). К сожалению, жесткость полипропилена невысока, особенно при использовании его в чистом виде, что часто бывает в недорогих моделях – из-за этого страдает качество звука.

Карбон и композитные волокна на основе углепластика имеют высокую жесткость, обеспечивая высокое качество звука, но демпфирование в них невысоко, АЧХ таких динамиков может быть неровным, иметь ярко выраженные пики и провалы.

Сабвуферный динамик с резиновым подвесом

Материал подвеса. Для средне- и высокочастотных динамиков материал подвеса должен обладать хорошим демпфированием и жесткостью выше среднего. Для этого идеально подходят бумага и ткань. Бумажные подвесы дешевле и проще в изготовлении, но тканевые имеют лучшие эксплуатационные характеристики, поэтому качественные динамики часто имеют именно тканевый подвес. Резиновый подвес чаще используется в динамиках, нацеленных на хорошую передачу низких частот, для высоких и средних частот этот материал слишком мягок.

Также следует понимать, что один и тот же материал у разных производителей может различаться очень сильно в зависимости от состава, пропиток, технологии изготовления.

Поэтому выбирать динамик по материалу диффузора и подвеса не стоит, а информацию об этих материалах воспринимать в качестве дополнительной.

Перед покупкой будет нелишним обратить внимание на количество динамиков в комплекте. Низкая цена выбранного хорошего динамика может определяться именно тем, что в комплекте он идет один.

Варианты выбора.

Для создания простой аудиосистемы по минимальной цене обратите внимание на однополосные динамики ценой до 1200 рублей. Качество звучания, скорее всего, будет средним, но это лучше, чем ничего.

Для хорошей передачи звуков всего слышимого диапазона выбирайте среди динамиков с максимальным частотным диапазоном – они обойдутся вам в 900-1300 рублей.

Для создания компонентной системы с твитером и сабвуфером, выбирайте динамики со сжатым частотным диапазоном по цене 1600-2900 рублей.

Источник