Громкоговоритель (обычно называемый динамиком или динамиком ) — это электроакустический преобразователь [1] , который преобразует электрический звуковой сигнал в соответствующий звук . [2] Акустическая система , также часто называемая просто динамиком или громкоговорителем , содержит один или несколько таких динамиков , корпус и электрические соединения, возможно, включая кроссоверную сеть . Динамик динамика можно рассматривать как линейный двигатель , прикрепленный к диафрагме , которая связывает движение этого двигателя с движением воздуха, то есть со звуком. Аудиосигнал, обычно поступающий от микрофона, записи или радиопередачи, усиливается электронным способом до уровня мощности, способного привести в действие этот двигатель, чтобы воспроизвести звук, соответствующий исходному неусиленному электронному сигналу. Таким образом, это функция, противоположная микрофону ; действительно, драйвер динамического динамика , безусловно, наиболее распространенный тип, представляет собой линейный двигатель той же базовой конфигурации, что и динамический микрофон , который использует такой двигатель в обратном порядке, в качестве генератора .
Динамический динамик был изобретен в 1925 году Эдвардом Келлогом и Честером Райсом . Когда электрический ток аудиосигнала проходит через звуковую катушку — катушку с проводом , способную перемещаться в осевом направлении в цилиндрическом зазоре, содержащем концентрированное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом , — катушка вынуждена быстро перемещаться вперед и назад из-за закона Фарадея. закон индукции ; он прикрепляется к диафрагме или диффузору динамика (поскольку он обычно имеет коническую форму для прочности) в контакте с воздухом, создавая таким образом звуковые волны . Помимо динамических динамиков, для создания звука из электрического сигнала возможно несколько других технологий, некоторые из которых находятся в коммерческом использовании.
Чтобы динамик эффективно воспроизводил звук, особенно на более низких частотах, динамик динамика должен быть расположен так, чтобы звук, исходящий из его задней части, не заглушал (предполагаемый) звук спереди; Обычно это имеет форму корпуса динамика или шкафа для динамиков , часто прямоугольной коробки, сделанной из дерева, но иногда из металла или пластика. Конструкция корпуса играет важную акустическую роль, определяя тем самым качество звука. Большинство высококачественных акустических систем (изображение справа) включают в себя два или более типа динамиков, каждый из которых специализируется на одной части слышимого диапазона частот. Драйверы меньшего размера, способные воспроизводить самые высокие звуковые частоты, называются высокочастотными динамиками , драйверы средних частот называются динамиками среднего диапазона , а динамики низких частот — низкочастотными динамиками . Иногда воспроизведение самых низких частот (20-~50 Гц) дополняется так называемым сабвуфером , часто в собственном (большом) корпусе. В двухполосной или трехполосной акустической системе (одна с динамиками, охватывающими два или три различных частотных диапазона) имеется небольшое количество пассивной электроники, называемой кроссоверной сетью, которая помогает направлять компоненты электронного сигнала к драйверам динамиков, которые лучше всего способны воспроизводя эти частоты. В так называемой активной акустической системе усилитель мощности, питающий драйверы динамиков, встроен в сам корпус; они становятся все более распространенными, особенно в качестве компьютерных динамиков.
Динамики меньшего размера встречаются в таких устройствах, как радиоприемники , телевизоры , портативные аудиоплееры , персональные компьютеры ( компьютерные колонки ), наушники и наушники . Более крупные и громкие акустические системы используются для домашних Hi-Fi-систем ( стереосистем ), электронных музыкальных инструментов , звукоусиления в театрах и концертных залах, а также в системах громкой связи .
Термин «громкоговоритель» может относиться к отдельным преобразователям (также известным как драйверы ) или к целым акустическим системам, состоящим из корпуса и одного или нескольких динамиков.
Для адекватного и точного воспроизведения широкого диапазона частот с равномерным охватом в большинстве акустических систем используется более одного динамика, особенно для более высокого уровня звукового давления или максимальной точности. Отдельные драйверы используются для воспроизведения разных частотных диапазонов. Динамики называются сабвуферами (для очень низких частот); НЧ-динамики (низкие частоты); динамики среднего диапазона (средние частоты); твитеры (высокие частоты); а иногда и супертвитеры , для самых высоких слышимых частот и выше . Условия для разных драйверов динамиков различаются в зависимости от приложения. В двухполосных системах нет динамика среднего диапазона, поэтому задача воспроизведения звуков среднего диапазона разделена между низкочастотным динамиком и высокочастотным динамиком. Домашние стереосистемы используют обозначение твитера для высокочастотного динамика, тогда как профессиональные концертные системы могут обозначать их как ВЧ или ВЧ . [ нужна цитата ] Когда в системе используются несколько драйверов, сеть фильтров, называемая аудиокроссовером , разделяет входящий сигнал на разные частотные диапазоны и направляет их на соответствующий драйвер. Акустическая система с n отдельными частотными диапазонами описывается как n-полосные динамики : двухполосная система будет иметь низкочастотный динамик и высокочастотный динамик; Трехполосная система использует низкочастотный динамик, среднечастотный динамик и высокочастотный динамик. Драйверы громкоговорителей изображенного типа называются динамическими (сокращенно от электродинамических), чтобы отличать их от других типов, включая движущиеся железные динамики и динамики, использующие пьезоэлектрические или электростатические системы.
Иоганн Филипп Рейс установил в свой телефон электрический громкоговоритель в 1861 году; он был способен воспроизводить четкие тона, но более поздние версии могли также воспроизводить приглушенную речь . [3] Александр Грэм Белл запатентовал свой первый электрический громкоговоритель (подвижный железный динамик, способный воспроизводить разборчивую речь) как часть своего телефона в 1876 году, за которым в 1877 году последовала улучшенная версия от Эрнста Сименса . В это время Томасу Эдисону был выдан британский патент на систему, использующую сжатый воздух в качестве усиливающего механизма для его первых цилиндрических фонографов, но в конечном итоге он остановился на знакомом металлическом рупоре, приводимом в движение мембраной, прикрепленной к игле. В 1898 году Гораций Шорт запатентовал конструкцию громкоговорителя, приводимого в движение сжатым воздухом; затем он продал права Чарльзу Парсонсу , которому до 1910 года было выдано несколько дополнительных британских патентов. Несколько компаний, в том числе Victor Talking Machine Company и Pathé , производили проигрыватели с использованием громкоговорителей на сжатом воздухе. Конструкции со сжатым воздухом существенно ограничены из-за низкого качества звука и неспособности воспроизводить звук на низкой громкости. Варианты конструкции использовались для громкой связи , а в последнее время другие варианты использовались для проверки устойчивости космического оборудования к очень громкому звуку и уровням вибрации, которые возникают при запуске ракет. [4]
Первый экспериментальный громкоговоритель с подвижной катушкой (также называемый динамическим ) был изобретен Оливером Лоджем в 1898 году. [5] Первые практические громкоговорители с подвижной катушкой были изготовлены датским инженером Питером Л. Дженсеном и Эдвином Придхэмом в 1915 году в Напе, Калифорния . [6] Как и в предыдущих громкоговорителях, в них использовались рупоры для усиления звука, производимого небольшой диафрагмой. Дженсену было отказано в патентах. Не сумев продать свою продукцию телефонным компаниям, в 1915 году они изменили целевой рынок на радиоприемники и системы громкой связи и назвали свой продукт Magnavox . Дженсен в течение многих лет после изобретения громкоговорителя был совладельцем компании Magnavox. [7]
Принцип подвижной катушки, обычно используемый сегодня в динамиках, был запатентован в 1925 году Эдвардом В. Келлогом и Честером В. Райсом . Ключевое отличие между предыдущими попытками и патентом Райса и Келлога заключается в настройке механических параметров для обеспечения достаточно ровной частотной характеристики . [8]
В этих первых громкоговорителях использовались электромагниты , поскольку большие и мощные постоянные магниты, как правило, не были доступны по разумной цене. На катушку электромагнита, называемую катушкой возбуждения, подавался ток через вторую пару соединений с драйвером. Эта обмотка обычно выполняла двойную роль, действуя также как дроссельная катушка , фильтруя питание усилителя , к которому был подключен громкоговоритель. [9] Пульсации переменного тока уменьшались за счет прохождения через дроссельную катушку. Однако частоты сети переменного тока имели тенденцию модулировать аудиосигнал, поступающий на звуковую катушку, и усиливать слышимый шум. В 1930 году Дженсен представил первый коммерческий громкоговоритель с фиксированным магнитом; однако большие и тяжелые железные магниты того времени были непрактичными, и динамики с полевой катушкой оставались преобладающими до тех пор, пока после Второй мировой войны не стали широко доступны легкие магниты из алнико .
В 1930-х годах производители громкоговорителей начали комбинировать два и три динамика или наборы динамиков, каждый из которых оптимизирован для определенного частотного диапазона, чтобы улучшить частотную характеристику и повысить уровень звукового давления. [10] В 1937 году компания Metro-Goldwyn-Mayer представила первую стандартную акустическую систему киноиндустрии «The Shearer Horn System for Theaters», [11] двустороннюю систему . В нем использовались четыре 15-дюймовых низкочастотных динамика, кроссовер, настроенный на 375 Гц, и один многоклеточный рупор с двумя компрессионными драйверами, обеспечивающими высокие частоты. Джон Кеннет Хиллиард , Джеймс Буллоу Лансинг и Дуглас Ширер сыграли свою роль в создании На Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году очень большая двусторонняя система громкой связи была установлена на башне во Флашинг-Медоуз . Восемь 27-дюймовых низкочастотных динамиков были разработаны Руди Бозаком в роли главного инженера Cinaudagraph. . Высокочастотные драйверы, вероятно, были изготовлены компанией Western Electric . [12]
В 1943 году компания Altec Lansing представила модель 604 , которая стала их самым известным коаксиальным дуплексным динамиком. Она включала в себя высокочастотный рупор, который посылал звук через отверстие в полюсном наконечнике 15-дюймового низкочастотного динамика для работы вблизи точечного источника. [13] Акустическая система Altec «Голос театра» была впервые продана в 1945 году и предлагала лучшую когерентность и четкость звука на высоких уровнях громкости, необходимых в кинотеатрах. [14] Академия кинематографических искусств и наук немедленно начала тестирование его звуковых характеристик; они сделали это стандартом киноиндустрии в 1955 году .
В 1954 году Эдгар Вильчур разработал принцип акустической подвески громкоговорителей. Это позволило добиться лучшего отклика басов, чем ранее можно было получить от динамиков, установленных в больших кабинетах. [16] Он и его партнер Генри Клосс основали компанию Acoustic Research для производства и продажи акустических систем, использующих этот принцип. [17] Впоследствии постоянное развитие конструкции корпуса и материалов привело к значительным улучшениям звука. [18]
Наиболее заметными улучшениями на сегодняшний день в современных динамических драйверах и громкоговорителях, в которых они используются, являются улучшения материалов диффузора, внедрение высокотемпературных клеев, улучшенных материалов для постоянных магнитов , улучшенных методов измерения, компьютерного проектирования и анализа методом конечных элементов. . На низких частотах с начала 1970-х годов для оптимизации взаимодействия басового динамика и корпуса использовалась теория электрических сетей с параметрами Тиле/Смолл . [19]
Самый распространенный тип динамика, обычно называемый динамическим громкоговорителем , использует легкую диафрагму или конус , соединенный с жесткой корзиной или рамой через гибкую подвеску, обычно называемую крестовиной , которая удерживает звуковую катушку в осевом направлении через цилиндрический магнитный зазор. Защитный пылезащитный колпачок , приклеенный в центре конуса, предотвращает попадание пыли, особенно ферромагнитного мусора, в зазор.
Когда на звуковую катушку подается электрический сигнал, электрический ток в звуковой катушке создает магнитное поле , что делает ее переменным электромагнитом. Катушка и магнитная система привода взаимодействуют подобно соленоиду , создавая механическую силу, которая перемещает катушку (и, следовательно, прикрепленный конус). Подача переменного тока перемещает диффузор вперед и назад, ускоряя и воспроизводя звук под контролем приложенного электрического сигнала, поступающего от усилителя.
Ниже приводится описание отдельных компонентов громкоговорителя этого типа.
Диафрагма обычно изготавливается с конусообразным или куполообразным профилем. Можно использовать самые разные материалы, но наиболее распространенными являются бумага, пластик и металл. Идеальный материал должен быть жестким, чтобы предотвратить неконтролируемые движения конуса, иметь небольшую массу, чтобы свести к минимуму требования к пусковому усилию и проблемы с накоплением энергии, и хорошо демпфировать , чтобы уменьшить вибрации, продолжающиеся после прекращения сигнала с небольшим слышимым звоном или без него из-за его резонансной частоты, как определено. по его использованию. На практике все три этих критерия невозможно удовлетворить одновременно, используя существующие материалы; таким образом, конструкция драйвера предполагает компромиссы . Например, бумага легкая и обычно хорошо увлажненная, но не жесткая; металл может быть жестким и легким, но обычно имеет плохое демпфирование; пластик может быть легким, но, как правило, чем жестче он, тем хуже демпфирование. В результате многие конусы сделаны из какого-то композитного материала. Например, конус может быть изготовлен из целлюлозной бумаги, в которую добавлены волокна углеродного волокна , кевлара , стекла , конопли или бамбука ; или он может использовать сотовую сэндвич-конструкцию; или на него может быть нанесено покрытие, обеспечивающее дополнительную жесткость или демпфирование.
Шасси, рама или корзина спроектированы так, чтобы быть жесткими, предотвращая деформацию, которая может изменить критическое расположение магнитного зазора, что может привести к трению звуковой катушки о магнит вокруг зазора. Шасси обычно отливают из алюминиевого сплава с более тяжелыми динамиками с магнитной структурой; или штампованы из тонкой листовой стали в драйверах более легкой конструкции. [20] Другие материалы, такие как формованный пластик и корзины из демпфированного пластика, становятся обычным явлением, особенно для недорогих и маломассивных динамиков. Металлический корпус может играть важную роль в отводе тепла от звуковой катушки; нагрев во время работы изменяет сопротивление, вызывает физические изменения размеров, а в случае чрезмерного нагревания лака на звуковой катушке; он может даже размагничивать постоянные магниты.
Система подвески удерживает катушку в центре зазора и обеспечивает восстанавливающую (центрирующую) силу, которая возвращает конус в нейтральное положение после перемещения. Типичная система подвески состоит из двух частей: крестовины , которая соединяет диафрагму или звуковую катушку с нижней рамой и обеспечивает большую часть восстанавливающей силы, и подвески , которая помогает центрировать узел катушки/конуса и обеспечивает свободное выравнивание поршневого движения. с магнитным зазором. Паук обычно изготавливается из диска гофрированной ткани, пропитанного придающей жесткость смолой. Название происходит от формы ранних подвесок, которые представляли собой два концентрических кольца из бакелита , соединенных шестью или восемью изогнутыми ножками . Вариации этой топологии включали добавление войлочного диска для защиты от частиц, которые в противном случае могли бы вызвать трение звуковой катушки.
Окружение диффузора может быть выполнено из резины или пенопласта , обработанной бумаги или кольца из гофрированной ткани, покрытой смолой; он прикреплен как к внешней окружности конуса, так и к верхней раме. Эти разнообразные материалы объемного звучания, их форма и обработка могут существенно повлиять на акустическую мощность динамика; каждая реализация имеет свои преимущества и недостатки. Полиэфирная пена, например, легкая и экономичная, хотя обычно в некоторой степени пропускает воздух и разлагается со временем, воздействием озона, ультрафиолетового света, влажности и повышенных температур, что ограничивает срок службы до выхода из строя.
Провод звуковой катушки обычно изготавливается из меди , хотя может использоваться алюминий и, реже, серебро . Преимуществом алюминия является его легкий вес, что снижает подвижную массу по сравнению с медью. Это повышает резонансную частоту динамика и увеличивает его эффективность. Недостатком алюминия является то, что его нелегко паять, поэтому соединения необходимо прочно обжимать и герметизировать. Сечения проводов звуковой катушки могут быть круглыми, прямоугольными или шестиугольными, что обеспечивает различную степень охвата провода в пространстве магнитного зазора. Катушка ориентирована соосно внутри зазора; он движется вперед и назад в небольшом круглом объеме (отверстии, прорези или канавке) в магнитной структуре. Зазор создает концентрированное магнитное поле между двумя полюсами постоянного магнита; внешнее кольцо зазора — это один полюс, а центральная стойка (называемая полюсным наконечником) — другой. Полюсный наконечник и задняя пластина часто изготавливаются как одна деталь, называемая полюсной пластиной или ярмом.
Размер и тип магнита, а также детали магнитопровода различаются в зависимости от целей проектирования. Например, форма полюсного наконечника влияет на магнитное взаимодействие между звуковой катушкой и магнитным полем и иногда используется для изменения поведения водителя. Закорачивающее кольцо , или петля Фарадея , может быть включено в комплект в виде тонкого медного колпачка, надетого на наконечник полюса, или в виде тяжелого кольца, расположенного внутри полости магнитного полюса. Преимущества этого усложнения заключаются в уменьшении импеданса на высоких частотах, обеспечении расширенного выходного сигнала высоких частот, уменьшении гармонических искажений и уменьшении модуляции индуктивности, которая обычно сопровождает большие отклонения звуковой катушки. С другой стороны, медный колпачок требует более широкого зазора звуковой катушки с повышенным магнитным сопротивлением; это уменьшает доступный поток, требуя магнит большего размера для эквивалентной производительности.
Электромагниты часто использовались в кабинетах усилителей музыкальных инструментов вплоть до 1950-х годов; Те, кто использовал ламповые усилители, имели экономию, поскольку катушка возбуждения могла и обычно выполняла двойную функцию в качестве дросселя источника питания. Очень немногие производители до сих пор производят электродинамические громкоговорители с катушками возбуждения с электрическим питанием , как это было обычно в самых ранних конструкциях.
Алнико , сплав алюминия, никеля и кобальта, стал популярным после Второй мировой войны, поскольку устранил проблемы драйверов катушек возбуждения. Алнико использовался почти исключительно примерно до 1980 года, несмотря на проблему частичного размагничивания магнитов алнико из-за случайных хлопков или щелчков, вызванных ослабленными соединениями , особенно при использовании с усилителем высокой мощности. После 1980 года большинство производителей драйверов перешли с алнико на ферритовые магниты , которые изготавливаются из смеси керамической глины и мелких частиц феррита бария или стронция. Хотя энергия на килограмм этих керамических магнитов ниже, чем у алнико, они существенно дешевле, что позволяет разработчикам использовать более крупные, но более экономичные магниты для достижения заданных характеристик. Из-за увеличения транспортных расходов и стремления к меньшим и более легким устройствам существует тенденция к использованию более компактных редкоземельных магнитов, изготовленных из таких материалов, как неодим и самарий-кобальт .
Проектирование акустических систем предполагает субъективное восприятие тембра и качества звука, измерения и эксперименты. [21] [22] [23] Корректировка конструкции для улучшения характеристик осуществляется с использованием сочетания магнитных, акустических, механических, электрических и материаловедческих теорий и отслеживается с помощью высокоточных измерений и наблюдений опытных слушателей. Некоторые из проблем, с которыми приходится сталкиваться разработчикам динамиков и драйверов, — это искажения, акустические лепестки , фазовые эффекты, внеосевой отклик и артефакты кроссовера. Проектировщики могут использовать безэховую камеру , чтобы гарантировать возможность измерения динамика независимо от эффектов помещения, или любой из нескольких электронных методов, которые в некоторой степени заменяют такие камеры. Некоторые разработчики отказываются от безэховых камер в пользу специальных стандартизированных помещений, предназначенных для имитации реальных условий прослушивания.
Отдельные электродинамические драйверы обеспечивают наилучшую производительность в ограниченном диапазоне частот. Несколько динамиков (например, сабвуферы, низкочастотные динамики, динамики среднего диапазона и твитеры) обычно объединяются в полную акустическую систему, чтобы обеспечить производительность, превосходящую эти ограничения. Тремя наиболее часто используемыми системами звукового излучения являются конусные, купольные и рупорные динамики.
Полнодиапазонный или широкодиапазонный драйвер — это драйвер динамика, предназначенный для использования отдельно для воспроизведения аудиоканала без помощи других драйверов и, следовательно, должен охватывать диапазон звуковых частот, требуемый приложением. Эти драйверы имеют небольшие размеры, обычно от 3 до 8 дюймов (от 7,6 до 20,3 см) в диаметре, что обеспечивает разумный отклик на высоких частотах, и тщательно спроектированы для обеспечения выходного сигнала с низким уровнем искажений на низких частотах, хотя и с уменьшенным максимальным выходным уровнем. Полнодиапазонные драйверы встречаются, например, в системах громкой связи, телевизорах, небольших радиоприемниках, домофонах и некоторых компьютерных динамиках .
В акустических системах Hi-Fi использование широкодиапазонных драйверов позволяет избежать нежелательного взаимодействия между несколькими драйверами, вызванного несовпадающим расположением драйверов или проблемами кроссовера, но также может ограничить частотную характеристику и выходные возможности (особенно на низких частотах). Акустическим системам Hi-Fi с широкодиапазонными динамиками могут потребоваться большие, сложные или дорогие корпуса для достижения оптимальных характеристик.
_full-range_drive_unit_loudspeaker,_using_a_whizzer_cone.jpg/1280px-Fostex_FE206e_(modified)_full-range_drive_unit_loudspeaker,_using_a_whizzer_cone.jpg)
В полнодиапазонных динамиках часто используется дополнительный диффузор, называемый свистом : небольшой легкий диффузор, прикрепленный к месту соединения звуковой катушки и основного диффузора. Виззерный диффузор расширяет высокочастотную характеристику динамика и расширяет его высокочастотную направленность, которая в противном случае была бы значительно сужена из-за того, что материал диффузора внешнего диаметра не успевает за центральной звуковой катушкой на более высоких частотах. Основной конус конструкции «wizzer» изготовлен таким образом, чтобы изгибаться больше по внешнему диаметру, чем по центру. В результате основной диффузор передает низкие частоты, а свистящий диффузор — большую часть высоких частот. Поскольку диффузор свистка меньше основной диафрагмы, дисперсия выходного сигнала на высоких частотах улучшена по сравнению с эквивалентной одинарной диафрагмой большего размера.
Драйверы ограниченного диапазона, которые также используются отдельно, обычно встречаются в компьютерах, игрушках и радиочасах . Эти драйверы менее сложны и менее дороги, чем широкодиапазонные драйверы, и они могут быть серьезно повреждены из-за того, что их можно разместить в очень маленьких местах установки. В этих приложениях качество звука имеет низкий приоритет.
Сабвуфер — это динамик низкочастотного динамика, используемый только для самой низкой части звукового спектра: обычно ниже 200 Гц для потребительских систем, [24] ниже 100 Гц для профессионального живого звука, [25] и ниже 80 Гц в системах, одобренных THX . . [26] Поскольку предполагаемый диапазон частот ограничен, конструкция системы сабвуфера обычно во многих отношениях проще, чем у обычных громкоговорителей, часто состоящих из одного динамика, заключенного в подходящий корпус. Поскольку звук в этом частотном диапазоне может легко огибать углы из-за дифракции , апертура динамика не обязательно должна быть обращена к аудитории, а сабвуферы можно установить в нижней части корпуса, лицом к полу. Это облегчается ограничениями человеческого слуха на низких частотах; Такие звуки невозможно локализовать в пространстве из-за их больших длин волн по сравнению с более высокими частотами, которые производят дифференциальные эффекты в ушах из-за затенения головой и дифракции вокруг нее, на оба из которых мы полагаемся как на подсказки для локализации.
Чтобы точно воспроизводить очень низкие басы, системы сабвуферов должны быть прочными и правильно закрепленными, чтобы избежать нежелательных звуков, вызванных вибрациями корпуса. В результате хорошие сабвуферы обычно довольно тяжелые. Многие системы сабвуферов включают в себя встроенные усилители мощности и электронные инфразвуковые фильтры с дополнительными элементами управления, необходимыми для воспроизведения низких частот (например, регулятор кроссовера и переключатель фазы). Эти варианты известны как активные или активные сабвуферы. [27] Напротив, пассивные сабвуферы требуют внешнего усиления.
В типичных установках сабвуферы физически отделены от остальных корпусов динамиков. Из-за задержки распространения и позиционирования их выходной сигнал может не совпадать по фазе с остальным звуком. Следовательно, усилитель мощности сабвуфера часто имеет регулировку задержки фазы, которую можно использовать для улучшения характеристик системы в целом. Сабвуферы широко используются в системах звукоусиления больших концертных и средних площадок . Корпуса сабвуферов часто оснащены портом фазоинвертора — конструктивной особенностью, которая при правильном проектировании улучшает звучание басов и повышает эффективность.
Низкочастотный динамик – это динамик, воспроизводящий низкие частоты. Драйвер работает с характеристиками корпуса динамика для создания подходящих низких частот. В некоторых акустических системах для передачи самых низких частот используется низкочастотный динамик, иногда настолько хорошо, что сабвуфер не требуется. Кроме того, некоторые громкоговорители используют низкочастотный динамик для обработки средних частот, устраняя необходимость использования среднечастотного динамика.
Динамик среднего диапазона — это динамик громкоговорителя, который воспроизводит полосу частот, обычно от 1 до 6 кГц, также известную как средние частоты (между низкочастотным динамиком и высокочастотным динамиком). Диафрагмы среднечастотных динамиков могут быть изготовлены из бумаги или композитных материалов и могут быть драйверами прямого излучения (как и меньшие низкочастотные динамики) или компрессионными динамиками (как некоторые конструкции твитеров). Если среднечастотный динамик представляет собой прямой излучатель, его можно установить на передней перегородке корпуса громкоговорителя или, если это компрессионный драйвер, установить его в горловине рупора для дополнительного выходного уровня и контроля диаграммы направленности.
Твитер – это высокочастотный динамик, воспроизводящий самые высокие частоты в акустической системе. Основной проблемой при проектировании твитера является достижение широкого углового охвата звука (внеосевой отклик), поскольку высокочастотный звук имеет тенденцию оставлять динамик в виде узких лучей. ВЧ-динамики с мягким куполом широко используются в домашних стереосистемах, а компрессионные динамики с рупорной нагрузкой широко распространены в профессиональном звукоусилении. Ленточные твитеры приобрели популярность, поскольку выходная мощность некоторых конструкций была увеличена до уровня, полезного для профессионального усиления звука, а их выходная диаграмма широка в горизонтальной плоскости, что удобно для применения в концертном звуке. [28]
Коаксиальный динамик — это динамик громкоговорителя с двумя или более комбинированными концентрическими динамиками. Коаксиальные драйверы производятся компаниями Altec , Tannoy , Pioneer , KEF , SEAS, B&C Динамики, BMS, Cabasse и Genelec . [29]
Кроссовер, используемый в акустических системах с несколькими динамиками , представляет собой совокупность фильтров, разделяющих входной сигнал на разные частотные диапазоны в соответствии с требованиями каждого динамика. Следовательно, динамики получают мощность только в том диапазоне звуковых частот, для которого они предназначены, тем самым уменьшая искажения в динамиках и помехи между ними. Кроссоверы могут быть пассивными и активными .
Пассивный кроссовер — это электронная схема, в которой используется комбинация одного или нескольких резисторов , катушек индуктивности и конденсаторов . Эти компоненты объединяются в сеть фильтров и чаще всего размещаются между усилителем мощности полного частотного диапазона и драйверами громкоговорителей, чтобы разделить сигнал усилителя на необходимые полосы частот перед доставкой на отдельные драйверы. Пассивные схемы кроссовера не требуют внешнего питания, кроме самого аудиосигнала, но имеют некоторые недостатки: для них могут потребоваться катушки индуктивности и конденсаторы большего размера из-за требований к мощности. В отличие от активных кроссоверов, которые включают встроенный усилитель, пассивные кроссоверы имеют собственное затухание в полосе пропускания, что обычно приводит к уменьшению коэффициента демпфирования перед звуковой катушкой [30].
Активный кроссовер — это схема электронного фильтра, которая делит сигнал на отдельные полосы частот перед усилением мощности, поэтому для каждой полосы требуется как минимум один усилитель мощности. [30] Пассивная фильтрация также может использоваться таким образом перед усилением мощности, но это необычное решение, поскольку оно менее гибкое, чем активная фильтрация. Любой метод, в котором используется кроссоверная фильтрация с последующим усилением, широко известен как двухполосное усиление, тройное усиление, четырехканальное усиление и т. д., в зависимости от минимального количества каналов усилителя. [31]
В некоторых конструкциях громкоговорителей используется комбинация пассивной и активной кроссоверной фильтрации, например пассивный кроссовер между среднечастотными и высокочастотными динамиками и активный кроссовер для низкочастотного драйвера. [32] [33]
Пассивные кроссоверы обычно устанавливаются внутри коробок для динамиков и на сегодняшний день являются наиболее распространенным типом кроссовера для домашнего использования и использования с низким энергопотреблением. В автомобильных аудиосистемах пассивные кроссоверы могут находиться в отдельной коробке, необходимой для размещения используемых компонентов. Пассивные кроссоверы могут быть простыми для фильтрации низкого порядка или сложными, чтобы обеспечить крутые наклоны, например 18 или 24 дБ на октаву. Пассивные кроссоверы также могут быть разработаны для компенсации нежелательных характеристик динамиков, рупора или резонансов корпуса [34] , и их может быть сложно реализовать из-за взаимодействия компонентов. Пассивные кроссоверы, как и драйверы, которые они питают, имеют ограничения по мощности, имеют вносимые потери и изменяют нагрузку, воспринимаемую усилителем. Эти изменения вызывают беспокойство у многих в мире Hi-Fi. [34] Когда требуются высокие уровни выходного сигнала, активные кроссоверы могут быть предпочтительнее. Активные кроссоверы могут представлять собой простые схемы, имитирующие реакцию пассивной сети, или могут быть более сложными, позволяющими выполнять обширные настройки звука. Некоторые активные кроссоверы, обычно цифровые системы управления громкоговорителями, могут включать в себя электронику и элементы управления для точного выравнивания фазы и времени между полосами частот, эквалайзера, сжатия и ограничения динамического диапазона . [30]
Большинство акустических систем состоят из динамиков, установленных в корпусе или шкафу. Роль кожуха состоит в том, чтобы предотвратить разрушительное воздействие звуковых волн, исходящих от спины водителя, на звуковые волны, исходящие спереди. Звуковые волны, излучаемые сзади, не совпадают по фазе с волнами, излучаемыми вперед, на 180°, поэтому без корпуса они обычно вызывают подавление, которое значительно ухудшает уровень и качество звука на низких частотах.
Простейшее крепление драйверов представляет собой плоскую панель ( перегородку ), в отверстиях которой установлены драйверы. Однако в этом подходе звуковые частоты с длиной волны, превышающей размеры перегородки, компенсируются, поскольку противофазное излучение из задней части диффузора интерферирует с излучением из передней части. Используя бесконечно большую панель, эти помехи можно было бы полностью предотвратить. Достаточно большая запечатанная коробка может приблизиться к такому поведению. [35] [36]
Поскольку панели бесконечных размеров невозможны, большинство корпусов функционируют за счет сдерживания заднего излучения от движущейся диафрагмы. Герметичный корпус предотвращает передачу звука, исходящего из задней части громкоговорителя, за счет помещения звука в жесткий и герметичный короб. Методы, используемые для уменьшения передачи звука через стенки шкафа, включают утолщение стенок шкафа, внутренние распорки и материал стен с потерями.
Однако жесткий корпус отражает звук внутрь, который затем может передаваться обратно через диафрагму громкоговорителя, что снова приводит к ухудшению качества звука. Это можно уменьшить за счет внутреннего поглощения, используя внутри корпуса поглощающие материалы, такие как стекловата , шерсть или ватин из синтетического волокна. Внутреннюю форму корпуса также можно спроектировать так, чтобы уменьшить это влияние за счет отражения звуков от диафрагмы громкоговорителя, где они затем могут быть поглощены.
Другие типы корпусов изменяют заднее звуковое излучение, поэтому оно может конструктивно дополнять выходной сигнал передней части диффузора. Конструкции, которые делают это (включая фазоинвертор , пассивный излучатель , линию передачи и т. д.), часто используются для расширения эффективного низкочастотного отклика и увеличения низкочастотного выхода драйвера.
Чтобы сделать переход между динамиками максимально плавным, разработчики системы попытались выровнять динамики по времени, переместив одно или несколько мест крепления драйверов вперед или назад так, чтобы акустический центр каждого динамика находился в одной вертикальной плоскости. Это также может включать наклон динамика назад, установку отдельного корпуса для каждого динамика или использование электронных технологий для достижения того же эффекта. Эти попытки привели к созданию необычной конструкции шкафов.
Схема установки динамиков (в том числе в шкафах) также может вызывать дифракцию, приводящую к пикам и провалам частотной характеристики. Проблема обычно проявляется больше всего на более высоких частотах, где длины волн аналогичны размерам корпуса или меньше его.
Рупорные громкоговорители — старейшая форма акустической системы. Использование рупоров в качестве мегафонов для усиления голоса датируется, по крайней мере, 17 веком [37] , а рупоры использовались в механических граммофонах еще в 1877 году. В рупорных громкоговорителях используется волновод определенной формы перед или за динамиком для увеличения направленности звука. громкоговорителя и для преобразования состояния высокого давления небольшого диаметра на поверхности диффузора динамика в состояние низкого давления большого диаметра в устье рупора. Это улучшает согласование акусто-электромеханического импеданса между динамиком и окружающим воздухом, повышая эффективность и фокусируя звук в более узкой области.
Размер горла, устья, длина рупора, а также скорость расширения площади вдоль него должны быть тщательно выбраны в соответствии с драйвером, чтобы правильно обеспечить эту функцию преобразования в диапазоне частот. [a] Длина и площадь поперечного сечения рта, необходимые для создания басового или суббасового валторны, определяют длину рупора во многие футы. Сложенные рожки могут уменьшить общий размер, но вынуждают проектировщиков идти на компромиссы и соглашаться на увеличение стоимости и усложнение конструкции. Некоторые конструкции рупора не только складывают низкочастотный рупор, но и используют стены в углу комнаты как продолжение устья рупора. В конце 1940-х годов среди поклонников Hi-Fi были известны духовые инструменты, устья которых занимали большую часть стены комнаты. Установка размером с комнату стала гораздо менее приемлемой, когда требовалось два или более устройства.
Рупорный динамик может иметь чувствительность до 110 дБ при напряжении 2,83 В (1 Вт при 8 Ом) на расстоянии 1 метр. Это стократное увеличение выходной мощности по сравнению с динамиком с чувствительностью 90 дБ, что неоценимо в приложениях, где требуется высокий уровень звука или мощность усилителя ограничена.
Громкоговоритель линии передачи — это конструкция корпуса громкоговорителя, в которой используется линия передачи звука внутри корпуса, по сравнению с более простыми конструкциями на основе корпуса. Вместо реверберации в довольно простом демпфированном корпусе звук, исходящий из задней части низкочастотного динамика, направляется в длинный (обычно изогнутый) затухающий путь внутри корпуса динамика, что обеспечивает больший контроль и эффективное использование энергии динамика.
В большинстве домашних громкоговорителей Hi-Fi для подключения к источнику сигнала (например, к аудиоусилителю или ресиверу ) используются две точки проводки. Для проводного подключения корпус громкоговорителя может иметь клеммы , пружинные зажимы или гнездо для монтажа на панели. Если провода пары динамиков подключены с нарушением правильной электрической полярности , [b] говорят, что громкоговорители находятся в противофазе или, точнее, в неполярности . [38] [39] При идентичных сигналах движение конуса громкоговорителя с неполярностью происходит в направлении, противоположном направлению остальных. Обычно это приводит к тому, что монофонический материал в стереозаписи подавляется, снижается по уровню и затрудняется локализация, и все это из-за деструктивной интерференции звуковых волн. Эффект подавления наиболее заметен на частотах, где громкоговорители разделены четвертью длины волны или меньше; Больше всего страдают низкие частоты. Ошибка неправильного подключения такого типа не повреждает динамики, но не оптимальна для прослушивания. [40] [41]
В системах звукоусиления, акустической системы и инструментальных усилителях обычно используются корпуса динамиков, кабели и разъемы или разъемы определенного типа. В звуковых системах более низкой и средней ценовой категории и кабинетах инструментальных динамиков часто используются разъемы 1/4 дюйма . В более дорогих и мощных кабинетах звуковых систем и кабинетах инструментальных динамиков часто используются разъемы Speakon . Разъемы Speakon считаются более безопасными для устройств высокой мощности. усилители, поскольку разъем сконструирован таким образом, что пользователи не могут прикасаться к разъемам.
Беспроводные динамики аналогичны динамикам с проводным питанием , но они принимают аудиосигналы с использованием радиочастотных (РЧ) волн, а не по аудиокабелям. В корпус динамика встроен усилитель, поскольку одних радиочастотных волн недостаточно для управления динамиком. Беспроводным динамикам по-прежнему требуется питание, поэтому потребуется ближайшая розетка переменного тока или встроенные аккумуляторы. Убран только провод для аудио.
Технические характеристики динамиков обычно включают в себя:
и опционально:
Нагрузка, которую драйвер представляет усилителю, состоит из сложного электрического импеданса — комбинации сопротивления, а также емкостного и индуктивного реактивного сопротивления , которое сочетает в себе свойства драйвера, его механическое движение, эффекты компонентов кроссовера (если таковые имеются в сигнале). путь между усилителем и динамиком), а также влияние воздушной нагрузки на динамик в зависимости от корпуса и окружающей среды. Выходные характеристики большинства усилителей указаны для определенной мощности при идеальной резистивной нагрузке; однако громкоговоритель не имеет постоянного импеданса во всем частотном диапазоне. Вместо этого звуковая катушка является индуктивной, динамик имеет механические резонансы, корпус меняет электрические и механические характеристики динамика, а пассивный кроссовер между динамиками и усилителем вносит свои собственные изменения. В результате импеданс нагрузки сильно меняется в зависимости от частоты, а также обычно меняется фазовое соотношение между напряжением и током, также меняющееся с частотой. Некоторые усилители справляются с изменением лучше, чем другие.
Чтобы издать звук, громкоговоритель приводится в действие модулированным электрическим током (производимым усилителем), который проходит через катушку динамика , которая затем (за счет индуктивности ) создает магнитное поле вокруг катушки. Таким образом, изменения электрического тока, проходящие через динамик, преобразуются в изменяющееся магнитное поле, взаимодействие которого с магнитным полем динамика перемещает диафрагму динамика, что, таким образом, заставляет динамик создавать движение воздуха, аналогичное исходному сигналу от усилителя.
Примерами типичных измерений громкоговорителей являются: амплитудные и фазовые характеристики в зависимости от частоты; импульсный отклик при одном или нескольких условиях (например, прямоугольные волны, всплески синусоидальных волн и т. д.); направленность в зависимости от частоты (например, по горизонтали, вертикали, сферически и т. д.); гармонические и интермодуляционные искажения в зависимости от выходного уровня звукового давления (SPL) с использованием любого из нескольких тестовых сигналов; запасенная энергия (т.е. звон) на различных частотах; импеданс в зависимости от частоты; и производительность при слабом сигнале и при сильном сигнале. Для выполнения большинства этих измерений требуется сложное и часто дорогое оборудование [47] , а также здравый смысл оператора, но необработанные выходные данные об уровне звукового давления гораздо легче сообщить, и поэтому часто это единственное указанное значение - иногда в вводящих в заблуждение точных терминах. . Уровень звукового давления (SPL), производимый громкоговорителем, измеряется в децибелах ( дБ spl ).
Эффективность громкоговорителя определяется как выходная звуковая мощность , деленная на входную электрическую мощность. Большинство громкоговорителей являются неэффективными преобразователями; только около 1% электрической энергии, передаваемой усилителем на обычный домашний громкоговоритель, преобразуется в акустическую энергию. Остальная часть преобразуется в тепло, в основном в звуковой катушке и магнитном узле. Основной причиной этого является сложность достижения надлежащего согласования импеданса между акустическим импедансом приводного устройства и воздухом, в который он излучает. (На низких частотах улучшение этого согласования является основной целью конструкции корпуса динамика). Эффективность драйверов громкоговорителей также зависит от частоты. Например, выходная мощность низкочастотного динамика снижается по мере уменьшения входной частоты из-за все более плохого согласования между воздухом и динамиком.
Рейтинги драйвера, основанные на уровне звукового давления для данного входа, называются рейтингами чувствительности и теоретически аналогичны эффективности. Чувствительность обычно определяется как количество децибел при электрической входной мощности 1 Вт, измеренной на расстоянии 1 метра (за исключением наушников ), часто на одной частоте. Используемое напряжение обычно составляет 2,83 В ( среднеквадратичное значение) , что составляет 1 Вт при сопротивлении динамика 8 Ом (номинальное значение) (приблизительно верно для многих акустических систем). Измерения, выполненные по этому эталону, указаны в дБ при 2,83 В на расстоянии 1 м.
Выходное звуковое давление измеряется (или математически масштабируется так, чтобы быть эквивалентным измерению, выполненному на расстоянии) в одном метре от громкоговорителя и по оси (непосредственно перед ним) при условии, что громкоговоритель излучает звук в бесконечно большое пространство. и установлен на бесконечной перегородке . Очевидно, что чувствительность не коррелирует точно с эффективностью, поскольку она также зависит от направленности тестируемого динамика и акустической среды перед реальным громкоговорителем. Например, рожок чирлидера производит больше звука в том направлении, в котором он направлен, концентрируя звуковые волны, исходящие от чирлидера, в одном направлении, тем самым фокусируя их. Рупор также улучшает согласование импеданса между голосом и воздухом, что обеспечивает большую акустическую мощность при заданной мощности динамика. В некоторых случаях улучшенное согласование импеданса (за счет тщательной конструкции корпуса) позволяет динамику производить больше акустической мощности.
Драйвер с более высоким максимальным номиналом мощности не обязательно может быть настроен на более высокий уровень громкости, чем с более низким номиналом, поскольку чувствительность и мощность в значительной степени являются независимыми свойствами. В последующих примерах предположим (для простоты), что сравниваемые драйверы имеют одинаковый электрический импеданс, работают на одной и той же частоте в соответствующих полосах пропускания обоих драйверов и что сжатие мощности и искажения невелики. В первом примере динамик на 3 дБ более чувствительный, чем другой, производит двойную звуковую мощность (на 3 дБ громче) при той же входной мощности. Таким образом, динамик мощностью 100 Вт (A) с номиналом 92 дБ для чувствительности 1 Вт на расстоянии 1 м выдает в два раза большую акустическую мощность, чем динамик мощностью 200 Вт (B) с номиналом 89 дБ для 1 Вт на расстоянии 1 м, когда оба работают с Входная мощность 100 Вт. В этом конкретном примере при мощности 100 Вт динамик A производит тот же уровень звукового давления или громкость , что и динамик B при входной мощности 200 Вт. Таким образом, увеличение чувствительности динамика на 3 дБ означает, что для достижения заданного уровня звукового давления ему потребуется половина мощности усилителя. Это приводит к уменьшению и упрощению усилителя мощности, а зачастую и к снижению общей стоимости системы.
Обычно невозможно совместить высокую эффективность (особенно на низких частотах) с компактным размером корпуса и адекватной низкочастотной характеристикой. При проектировании акустической системы в большинстве случаев можно выбрать только два параметра из трех. Так, например, если важны расширенные низкочастотные характеристики и небольшой размер корпуса, следует смириться с низким КПД. [48] Это эмпирическое правило иногда называют «железным законом» Гофмана (в честь Дж. А. Хофмана , буква H в слове KLH ). [49] [50]
Взаимодействие акустической системы с окружающей средой является сложным и в значительной степени находится вне контроля разработчика громкоговорителей. Большинство комнат для прослушивания представляют собой более или менее отражающую среду, в зависимости от размера, формы, объема и обстановки. Это означает, что звук, достигающий ушей слушателя, состоит не только из звука, исходящего непосредственно из акустической системы, но также из того же звука, задержанного при прохождении к одной или нескольким поверхностям и обратно (и изменении ими). Эти отраженные звуковые волны, добавленные к прямому звуку, вызывают подавление и добавление на разных частотах (например, от резонансных мод помещения ), изменяя тем самым тембр и характер звука в ушах слушателя. Человеческий мозг очень чувствителен к небольшим изменениям, включая некоторые из них, и это одна из причин того, почему акустическая система звучит по-разному в разных местах прослушивания или в разных комнатах.
Важным фактором звука акустической системы является степень поглощения и диффузии, присутствующая в окружающей среде. Хлопки в ладоши в типичной пустой комнате, без драпировок и ковра, вызывают живое, трепещущее эхо, обусловленное как недостатком поглощения, так и реверберацией (то есть повторяющимся эхом) от плоских отражающих стен, пола и потолка. Добавление мебели с твердой поверхностью, настенных драпировок, стеллажей и даже отделки потолка штукатуркой в стиле барокко изменяет эхо, в первую очередь из-за диффузии, вызванной отражающими объектами, формы и поверхности которых имеют размеры порядка звуковых длин волн. Это несколько разрушает простые отражения, вызванные голыми плоскими поверхностями, и распределяет отраженную энергию падающей волны на больший угол при отражении.
В типичной прямоугольной комнате для прослушивания твердые параллельные поверхности стен, пола и потолка вызывают узлы первичного акустического резонанса в каждом из трех измерений: слева-справа, вверх-вниз и вперед-назад. [51] Кроме того, существуют более сложные резонансные режимы, включающие три, четыре, пять и даже все шесть граничных поверхностей, объединяющихся для создания стоячих волн . Это называется реакцией на помехи на границе динамика (SBIR). [52] Низкие частоты больше всего возбуждают эти моды, поскольку длинные волны не сильно зависят от композиции мебели или ее размещения. Расстояние между режимами имеет решающее значение, особенно в помещениях небольшого и среднего размера, таких как студии звукозаписи, домашние кинотеатры и студии вещания. Близость громкоговорителей к границам комнаты влияет на то, насколько сильно возбуждаются резонансы, а также на относительную силу на каждой частоте. Местоположение слушателя также имеет решающее значение, поскольку положение вблизи границы может сильно повлиять на воспринимаемый баланс частот. Это связано с тем, что стоячие волны легче всего слышны в этих местах и на более низких частотах, ниже частоты Шредера — обычно около 200–300 Гц, в зависимости от размера комнаты.
Акустики, изучая излучение источников звука, разработали некоторые концепции, важные для понимания того, как воспринимаются громкоговорители. Простейшим источником излучения является точечный источник, иногда называемый простым источником. Идеальный точечный источник — это бесконечно малая точка, излучающая звук. Возможно, проще представить крошечную пульсирующую сферу, равномерно увеличивающуюся и уменьшающуюся в диаметре, одинаково распространяющую звуковые волны во всех направлениях, независимо от частоты.
Любой объект, излучающий звук, включая акустическую систему, можно рассматривать как состоящий из комбинаций таких простых точечных источников. Диаграмма направленности комбинации точечных источников не такая, как у одиночного источника, а зависит от расстояния и ориентации между источниками, положения относительно них, из которого слушатель слышит комбинацию, и частоты задействованного звука. . Используя геометрию и исчисление, легко решить некоторые простые комбинации источников; другие нет.
Одна простая комбинация — это два простых источника, разделенных расстоянием и колеблющихся в противофазе: одна миниатюрная сфера расширяется, а другая сжимается. Эта пара известна как дублет или диполь, и излучение этой комбинации аналогично излучению очень маленького динамического громкоговорителя, работающего без перегородки. Направленность диполя представляет собой форму восьмерки с максимальной выходной мощностью вдоль вектора, который соединяет два источника, и минимумом по бокам, когда точка наблюдения находится на равном расстоянии от двух источников, где сумма положительных и отрицательных волн компенсируют друг друга. Хотя большинство драйверов являются диполями, в зависимости от корпуса, к которому они подключены, они могут излучать как монополи, диполи (или биполи). Если он установлен на ограниченной перегородке и эти противофазные волны могут взаимодействовать, в результате возникают дипольные пики и нули в частотной характеристике. Когда тыловое излучение поглощается или задерживается в ящике, диафрагма становится монопольным излучателем. Биполярные динамики, изготовленные путем установки синфазных монополей (оба синхронно выдвигаются из коробки или в нее) на противоположных сторонах коробки, представляют собой метод достижения всенаправленной диаграммы направленности.
В реальной жизни отдельные динамики представляют собой сложные трехмерные формы, такие как конусы и купола, и по разным причинам они размещаются на перегородке. Математическое выражение направленности сложной формы, основанное на моделировании комбинаций точечных источников, обычно невозможно, но в дальней зоне направленность громкоговорителя с круглой диафрагмой близка к направленности плоского круглого поршня, поэтому его можно использовать как иллюстративное упрощение для обсуждения. В качестве простого примера задействованной математической физики рассмотрим следующее: формула для направленности плоского круглого поршня в дальней зоне в бесконечной перегородке такова: где , – давление на оси, – радиус поршня, – длина волны (т. е . ) угол вне оси и является функцией Бесселя первого рода.
Плоский источник излучает звук равномерно на длинах волн низких частот, превышающих размеры плоского источника, и по мере увеличения частоты звук от такого источника фокусируется под все более узким углом. Чем меньше размер драйвера, тем выше частота, на которой происходит это сужение направленности. Даже если диафрагма не является идеально круглой, этот эффект возникает так, что более крупные источники становятся более направленными. Некоторые конструкции громкоговорителей приближаются к такому поведению. Большинство из них представляют собой электростатические или планарно-магнитные конструкции.
Различные производители используют разные способы крепления динамиков для создания определенного типа звукового поля в пространстве, для которого они предназначены. Полученные диаграммы направленности могут быть предназначены для более точной имитации того, как звук воспроизводится реальными инструментами, или просто для создания контролируемого распределения энергии из входного сигнала (некоторые, использующие этот подход, называются мониторами , поскольку они полезны при проверке только что записанного сигнала). в студии). Примером первого является угловая система помещения со множеством мелких драйверов на поверхности сферы размером 1/8. Конструкция системы этого типа была запатентована и коммерчески произведена профессором Амаром Бозе - 2201. В более поздних моделях Bose намеренно особое внимание уделялось воспроизведению как прямого, так и отраженного звука самим громкоговорителем, независимо от окружающей среды. Эти проекты вызвали споры в кругах высококлассных специалистов , но оказались коммерчески успешными. Разработки некоторых других производителей основаны на аналогичных принципах.
Направленность является важным вопросом, поскольку она влияет на частотный баланс звука, который слышит слушатель, а также на взаимодействие акустической системы с помещением и его содержимым. Очень направленный (иногда называемый «лучистым») динамик (т. е. расположенный по оси, перпендикулярной лицевой стороне динамика) может привести к тому, что реверберационному полю не хватает высоких частот, создавая впечатление, что динамику не хватает высоких частот, даже если он хорошо измеряет по оси. (например, ровный во всем диапазоне частот). Динамики с очень широкой или быстро увеличивающейся направленностью на высоких частотах могут создать впечатление, что высоких частот слишком много (если слушатель находится на оси) или слишком мало (если слушатель находится вне оси). Это одна из причин, почему измерение частотной характеристики по оси не является полной характеристикой звука данного громкоговорителя.
Хотя динамики с динамическим диффузором остаются наиболее популярным выбором, существует множество других технологий динамиков.
Первоначальная конструкция громкоговорителя представляла собой движущееся железо. В отличие от более новой динамической конструкции (подвижная катушка), в динамике с подвижным железом используется неподвижная катушка для вибрации намагниченного куска металла (называемого железом, язычком или якорем). Металл либо прикреплен к диафрагме, либо является самой диафрагмой. Этот дизайн изначально появился в ранних телефонах.
Движущиеся железные драйверы неэффективны и могут производить лишь небольшую полосу звука. Для увеличения силы им требуются большие магниты и катушки. [54]
Драйверы со сбалансированным якорем (разновидность движущегося железного драйвера) используют якорь, который движется как качели или трамплин для прыжков в воду. Поскольку они не демпфируются, они очень эффективны, но также производят сильные резонансы. Они до сих пор используются в высококачественных наушниках и слуховых аппаратах, где важны небольшой размер и высокая эффективность. [55]
Пьезоэлектрические динамики часто используются в качестве звуковых сигналов в часах и других электронных устройствах, а иногда используются в качестве высокочастотных динамиков в менее дорогих акустических системах, таких как компьютерные колонки и портативные радиоприемники. Пьезоэлектрические динамики имеют несколько преимуществ перед обычными громкоговорителями: они устойчивы к перегрузкам, которые обычно разрушают большинство высокочастотных динамиков, и их можно использовать без кроссовера из-за их электрических свойств. Есть и недостатки: некоторые усилители могут колебаться при управлении емкостными нагрузками, как и большинство пьезоэлектриков, что приводит к искажениям или повреждению усилителя. Кроме того, их частотная характеристика в большинстве случаев уступает характеристикам других технологий. Вот почему они обычно используются в одночастотных (биперах) или некритических приложениях.
Пьезоэлектрические динамики могут иметь расширенный высокочастотный выход, и это полезно в некоторых особых случаях; например, гидролокаторы , в которых пьезоэлектрические варианты используются как в качестве устройств вывода (генерирующих подводный звук), так и в качестве устройств ввода (действуя как чувствительные компоненты подводных микрофонов ). В этих приложениях у них есть преимущества, не последним из которых является простая и твердотельная конструкция, которая устойчива к морской воде лучше, чем устройство на основе ленты или конуса.
В 2013 году Kyocera представила пьезоэлектрические ультратонкие пленочные динамики среднего размера толщиной всего 1 миллиметр и весом 7 граммов для своих 55-дюймовых OLED- телевизоров. Компания надеется, что динамики также будут использоваться в ПК и планшетах. есть также большие и маленькие размеры, которые могут воспроизводить звук относительно одинакового качества и громкости в пределах 180 градусов. Высокочувствительный материал динамиков обеспечивает лучшую четкость звука, чем традиционные динамики телевизора. [56]
Вместо звуковой катушки, приводящей в действие диффузор динамика, в магнитостатическом динамике используется массив металлических полос, прикрепленных к большой пленочной мембране. Магнитное поле, создаваемое сигнальным током, протекающим через полоски, взаимодействует с полем постоянных стержневых магнитов, установленных за ними. Возникающая сила перемещает мембрану и, следовательно, воздух перед ней. Как правило, эти конструкции менее эффективны, чем обычные динамики с подвижной катушкой.
Магнитострикционные преобразователи, основанные на магнитострикции , преимущественно использовались в качестве излучателей ультразвуковых звуковых волн гидролокаторов, но их применение распространилось и на аудиоколоночные системы. Магнитострикционные динамики имеют некоторые особые преимущества: они могут обеспечивать большую силу (с меньшими отклонениями), чем другие технологии; низкая экскурсия позволяет избежать искажений из-за большой амплитуды, как в других конструкциях; катушка намагничивания неподвижна и поэтому легче охлаждается; они надежны, поскольку не требуют деликатных подвесов и звуковых катушек. Магнитострикционные модули динамиков производятся компаниями Fostex [57] [58] [59] и FeONIC [60] [61] [62] [63], а также производятся драйверы для сабвуферов. [64]
Электростатические громкоговорители используют электрическое поле высокого напряжения (а не магнитное поле) для возбуждения тонкой статически заряженной мембраны. Поскольку они приводятся в действие по всей поверхности мембраны, а не от небольшой звуковой катушки, они обычно обеспечивают более линейное движение с меньшими искажениями, чем динамические динамики. Они также имеют относительно узкую диаграмму направленности, что позволяет обеспечить точное позиционирование звукового поля. Однако их оптимальная зона прослушивания мала, и они не очень эффективны. Их недостатком является то, что ход диафрагмы сильно ограничен из-за практических конструктивных ограничений: чем дальше друг от друга расположены статоры, тем выше должно быть напряжение для достижения приемлемого КПД. Это увеличивает склонность к образованию электрических дуг, а также увеличивает притяжение частиц пыли к динамику. Возникновение дуги остается потенциальной проблемой при использовании современных технологий, особенно когда на панелях накапливается пыль или грязь и на них подается сигнал высокого уровня.
Электростатические излучатели по своей сути являются дипольными излучателями и из-за тонкой гибкой мембраны менее подходят для использования в корпусах для уменьшения низкочастотного подавления, как в случае обычных конусных драйверов. Из-за этого, а также из-за малого отклонения, полнодиапазонные электростатические громкоговорители по своей природе имеют большие размеры, а низкие частоты спадают на частоте, соответствующей четверти длины волны самого узкого размера панели. Чтобы уменьшить размер коммерческих продуктов, их иногда используют в качестве высокочастотного драйвера в сочетании с обычным динамическим драйвером, который эффективно обрабатывает низкие частоты.
Электростатика обычно подается через повышающий трансформатор, который увеличивает перепады напряжения, создаваемые усилителем мощности. Этот трансформатор также увеличивает емкостную нагрузку, присущую электростатическим преобразователям, а это означает, что эффективный импеданс, подаваемый на усилители мощности, широко варьируется в зависимости от частоты. Динамик с номинальным сопротивлением 8 Ом на самом деле может создавать нагрузку в 1 Ом на более высоких частотах, что является проблемой для некоторых конструкций усилителей.
Ленточный динамик представляет собой тонкую металлопленочную ленту, подвешенную в магнитном поле. Электрический сигнал подается на ленту, которая движется вместе с ней, создавая звук. Преимущество ленточного драйвера состоит в том, что лента имеет очень небольшую массу ; таким образом, он может очень быстро ускоряться, обеспечивая очень хороший высокочастотный отклик. Ленточные громкоговорители зачастую очень хрупкие — некоторые из них можно порвать сильным порывом воздуха. Большинство ленточных твитеров излучают звук по дипольной схеме. Некоторые из них имеют подложку, ограничивающую диаграмму направленности диполя. Выше и ниже концов более или менее прямоугольной ленты звук менее слышен из-за фазового подавления, но точная степень направленности зависит от длины ленты. Ленточные конструкции обычно требуют исключительно мощных магнитов, что делает их производство дорогостоящим. Ленты имеют очень низкое сопротивление, которое большинство усилителей не могут управлять напрямую. В результате для увеличения тока через ленту обычно используется понижающий трансформатор. Усилитель воспринимает нагрузку, которая равна умножению сопротивления ленты на квадрат коэффициента трансформации. Трансформатор должен быть тщательно спроектирован так, чтобы его частотная характеристика и паразитные потери не ухудшали звук, что еще больше увеличивает стоимость и сложность по сравнению с традиционными конструкциями.
Плоские магнитные динамики (с напечатанными или встроенными проводниками в плоскую диафрагму) иногда называют ленточными, но на самом деле они не являются ленточными динамиками. Термин «планарный» обычно применяется к динамикам с примерно прямоугольными плоскими поверхностями, излучающими биполярное излучение (т. е. вперед и назад). Планарные магнитные динамики состоят из гибкой мембраны со звуковой катушкой, напечатанной или установленной на ней. Ток , текущий через катушку, взаимодействует с магнитным полем тщательно расположенных магнитов по обе стороны от диафрагмы, заставляя мембрану вибрировать более или менее равномерно, без сильного изгиба или образования складок. Движущая сила покрывает большую часть поверхности мембраны и уменьшает проблемы резонанса, присущие плоским диафрагмам с катушечным приводом.
В преобразователях изгибных волн используется диафрагма, которая специально сделана гибкой. Жесткость материала увеличивается от центра к краям. Короткие волны исходят в основном из внутренней области, а более длинные волны достигают края динамика. Чтобы предотвратить отражение снаружи в центр, длинные волны поглощаются окружающим демпфером. Такие преобразователи могут охватывать широкий диапазон частот (от 80 Гц до 35 000 Гц) и позиционируются как близкие к идеальному точечному источнику звука. [65] Этот необычный подход применяется лишь очень немногими производителями в самых разных формах.
В громкоговорителях Ohm Walsh используется уникальный драйвер, разработанный Линкольном Уолшем , который был инженером-разработчиком радаров во время Второй мировой войны. Он заинтересовался дизайном аудиооборудования, и его последним проектом стал уникальный однополосный динамик с одним динамиком. Конус обращен вниз в герметичный герметичный корпус. Вместо того, чтобы двигаться вперед и назад, как это делают обычные динамики, диффузор пульсировал и создавал звук способом, известным в радиоэлектронике как «линия передачи». Новый динамик создавал цилиндрическое звуковое поле. Линкольн Уолш умер до того, как его спикер был представлен публике. С тех пор фирма Ohm Acoustics выпустила несколько моделей громкоговорителей с использованием конструкции динамика Уолша. German Physiks, фирма по производству аудиооборудования в Германии, также производит динамики, используя этот подход.
Немецкая фирма Manger разработала и выпустила драйвер изгибных волн, который на первый взгляд кажется обычным. Фактически, круглая панель, прикрепленная к звуковой катушке, изгибается тщательно контролируемым образом, создавая полнодиапазонный звук. [66] Йозеф В. Мангер был награжден Медалью Рудольфа Дизеля за выдающиеся разработки и изобретения Немецкого института изобретений.
Было много попыток уменьшить размер акустических систем или, альтернативно, сделать их менее заметными. Одной из таких попыток была разработка катушек преобразователя возбудителя , прикрепленных к плоским панелям в качестве источников звука, точнее всего называемых драйверами возбудителя / панели. [67] Затем их можно изготовить в нейтральном цвете и повесить на стены, где они менее заметны, чем многие динамики, или можно намеренно разрисовать узорами, и в этом случае они могут выполнять декоративную функцию. Есть две связанные проблемы с методами работы с плоскими панелями: во-первых, плоская панель обязательно более гибкая, чем конусообразная форма из того же материала, и, следовательно, движется как единое целое еще меньше, и, во-вторых, резонансы в панели трудно контролировать. приводит к значительным искажениям. Некоторый прогресс был достигнут в использовании таких легких и жестких материалов, как пенополистирол , и в последние годы было выпущено на коммерческое производство несколько систем плоских панелей. [68]
Оскар Хайль изобрел датчик движения воздуха в 1960-х годах. В этом подходе гофрированная диафрагма помещается в магнитное поле и принудительно закрывается и открывается под контролем музыкального сигнала. Воздух вытесняется между складками в соответствии с подаваемым сигналом, генерируя звук. Динамики менее хрупкие, чем ленточные, и значительно более эффективны (и способны обеспечивать более высокие абсолютные уровни выходной мощности), чем ленточные, электростатические или планарные магнитные твитеры. ESS, калифорнийский производитель, лицензировал дизайн, нанял Хейла и в 1970-х и 1980-х годах произвел ряд акустических систем с использованием его твитеров. Lafayette Radio , крупная сеть розничных магазинов в США, какое-то время также продавала акустические системы с такими твиттерами. Существует несколько производителей этих драйверов (по крайней мере два в Германии, один из которых производит ряд профессиональных динамиков высокого класса, использующих высокочастотные динамики и динамики среднего класса на основе этой технологии), и эти драйверы все чаще используются в профессиональном аудио. Martin Logan производит несколько динамиков AMT в США, а GoldenEar Technologies включает их во всю свою линейку динамиков.
В 2013 году исследовательская группа представила прозрачный динамик с ионной проводимостью, состоящий из двух слоев прозрачного проводящего геля и слоя прозрачной резины между ними, обеспечивающих высокое напряжение и высокую скорость срабатывания для воспроизведения хорошего качества звука. Динамик подходит для робототехники, мобильных вычислений и адаптивной оптики. [69]
В плазменно-дуговых громкоговорителях в качестве излучающего элемента используется электрическая плазма . Поскольку плазма имеет минимальную массу, но заряжена и, следовательно, ею можно манипулировать с помощью электрического поля , в результате получается очень линейный выходной сигнал на частотах, намного превышающих слышимый диапазон. Проблемы обслуживания и надежности этого подхода, как правило, делают его непригодным для использования на массовом рынке. В 1978 году Алан Э. Хилл из Лаборатории вооружения ВВС в Альбукерке, штат Нью-Мексико, разработал Plasmatronics Hill Type I, твитер, плазма которого генерировалась из газообразного гелия . [70] Это позволило избежать образования озона и NOx [71] , образующихся в результате радиочастотного разложения воздуха в плазменных твитерах более раннего поколения, созданных новаторской корпорацией DuKane Corporation, которая производила Ionovac (продаваемый в Великобритании как Ionofane) в 1950-х годах. [72] В настоящее время в Германии осталось несколько производителей, которые используют эту конструкцию, [73] а конструкция «сделай сам» была опубликована и доступна в Интернете.
Менее дорогой вариант этой темы — использование пламени для водителя, поскольку пламя содержит ионизированные (электрически заряженные) газы. [74] [75] [ нужна ссылка ]
В 2008 году исследователи из Университета Цинхуа продемонстрировали термоакустический громкоговоритель из тонкой пленки углеродных нанотрубок [76] , механизмом работы которого является термоакустический эффект. Электрические токи звуковой частоты используются для периодического нагрева УНТ и, таким образом, приводят к генерации звука в окружающем воздухе. Тонкопленочный громкоговоритель CNT прозрачен, растягивается и гибок. В 2013 году исследователи из Университета Цинхуа представили термоакустический наушник из тонкой нити углеродных нанотрубок и термоакустическое устройство для поверхностного монтажа. [77] Оба они являются полностью интегрированными устройствами и совместимы с полупроводниковой технологией на основе кремния.
Роторный низкочастотный динамик — это, по сути, вентилятор с лопастями, которые постоянно меняют свой шаг, что позволяет им легко перемещать воздух вперед и назад. Роторные НЧ-динамики способны эффективно воспроизводить дозвуковые частоты, чего трудно или невозможно достичь на традиционном динамике с диафрагмой. Их часто используют в кинотеатрах для воссоздания грохочущих басовых эффектов, например взрывов. [78] [79]
Цифровые колонки были предметом экспериментов, проведенных Bell Labs еще в 1920-х годах. [ нужна цитация ] Конструкция проста; каждый бит управляет драйвером, который либо полностью включен, либо выключен. Проблемы с этой конструкцией заставили производителей отказаться от нее как от непрактичной в настоящее время. Во-первых, при разумном количестве бит (необходимом для адекватного качества воспроизведения звука ) физический размер акустической системы становится очень большим. Во-вторых, из-за присущих аналого-цифровому преобразованию проблем эффект наложения спектров неизбежен, поэтому выходной аудиосигнал отражается с равной амплитудой в частотной области, по другую сторону предела Найквиста (половина частоты дискретизации). вызывая неприемлемо высокий уровень ультразвука , сопровождающий желаемый результат. Никакой работоспособной схемы, способной адекватно справиться с этим, не было найдено.
Термин «цифровой» или «готовый к цифровому использованию» часто используется в маркетинговых целях применительно к колонкам или наушникам, но эти системы не являются цифровыми в том смысле, который описан выше. Скорее, это обычные динамики, которые можно использовать с цифровыми источниками звука (например, оптическими носителями , MP3- плеерами и т. д.), как и любой обычный динамик.
Ключевым отличием конструкции Райса и Келлога была настройка механических параметров таким образом, чтобы основной резонанс движущейся системы происходил на более низкой частоте, чем та, при которой импеданс излучения конуса становился однородным.
В этом диапазоне движение конуса контролировалось массой, и конус наблюдал растущее сопротивление излучения.
Фактически это обеспечило значительную частотную область с ровной характеристикой мощности для конструкции.
Мы часто на словах говорим о том, что аудио позволяет специалистам заниматься как искусством, так и наукой.
Акустическая система имеет конусообразную форму диаметром 95 мм и высотой 90 мм.
Он оснащен приводом, использующим магнитостриктор, который расширяется и сжимается в соответствии с изменениями магнитного поля.
Актуатор преобразует входной звук в вибрацию и передает ее на столешницу, воспроизводя таким образом звук.
Гигантский магнитострикционный динамик, демонстрирующий хорошие акустические характеристики при использовании на горизонтальной поверхности.
D2 отличается от традиционной технологии динамиков, поскольку в качестве драйвера вместо подвижной катушки используется очень мощный магнитострикционный интеллектуальный материал.
Этот материал был первоначально разработан военными США для применения в гидролокаторах, и теперь его коммерческое использование снято.
