Электродинамический динамик , часто называемый просто динамиком, когда тип подразумевается, представляет собой отдельный преобразователь , который преобразует электрический аудиосигнал в звуковые волны . Хотя этот термин иногда используется взаимозаменяемо с термином динамик ( громкоговоритель ), обычно он применяется к специализированным преобразователям, которые воспроизводят только часть слышимого диапазона частот. Для высококачественного воспроизведения звука несколько громкоговорителей часто монтируются в одном корпусе , каждый из которых воспроизводит различную часть слышимого диапазона частот. В этом случае отдельные динамики называются драйверами , а весь блок называется громкоговорителем . Драйверы, предназначенные для воспроизведения высоких звуковых частот, называются твитерами , для средних частот называются среднечастотными драйверами, а для низких частот называются вуферами , в то время как для очень низкого басового диапазона называются сабвуферами . Менее распространенными типами драйверов являются супертвитеры и роторные вуферы .
Электроакустический механизм , наиболее широко используемый в динамиках для преобразования электрического тока в звуковые волны, — это динамический или электродинамический драйвер, изобретенный в 1925 году Эдвардом У. Келлоггом и Честером У. Райсом , который создает звук с помощью катушки провода, называемой звуковой катушкой, подвешенной между полюсами магнита . Существуют и другие, которые используются гораздо реже: электростатические драйверы , пьезоэлектрические драйверы , планарные магнитные драйверы , драйверы движения воздуха Heil и ионные драйверы , среди прочих конструкций динамиков . [1]
Наиболее распространенный тип драйвера, обычно называемый динамическим громкоговорителем , использует легкую диафрагму , или конус , соединенный с жесткой корзиной , или рамой , посредством гибкой подвески, обычно называемой пауком , которая заставляет звуковую катушку двигаться в осевом направлении через цилиндрический магнитный зазор. Защитный пылезащитный колпачок , приклеенный в центре конуса, предотвращает попадание пыли, и, что самое главное, ферромагнитного мусора, в зазор.
Когда электрический сигнал подается на звуковую катушку, электрический ток в звуковой катушке создает магнитное поле , делая ее переменным электромагнитом. Катушка и магнитная система драйвера взаимодействуют подобно соленоиду , создавая механическую силу, которая перемещает катушку (и, таким образом, прикрепленный конус). Приложение переменного тока перемещает конус вперед и назад, ускоряя и воспроизводя звук под управлением приложенного электрического сигнала, поступающего от усилителя.
Ниже приводится описание отдельных компонентов этого типа громкоговорителя.
Диафрагма обычно изготавливается с конусообразным или куполообразным профилем. Могут использоваться различные материалы, но наиболее распространенными являются бумага, пластик и металл. Идеальный материал — жесткий, чтобы предотвратить неконтролируемые движения конуса, имеет небольшую массу, чтобы минимизировать требования к силе запуска и проблемы с накоплением энергии, и хорошо демпфируется, чтобы уменьшить вибрации, продолжающиеся после прекращения сигнала с небольшим или отсутствующим звоном из-за его резонансной частоты, определяемой его использованием. На практике все три этих критерия не могут быть выполнены одновременно с использованием существующих материалов; таким образом, конструкция драйвера включает компромиссы . Например, бумага легкая и, как правило, хорошо демпфируется, но не жесткая; металл может быть жестким и легким, но обычно имеет плохое демпфирование; пластик может быть легким, но, как правило, чем жестче он сделан, тем хуже демпфирование. В результате многие конусы изготавливаются из какого-либо композитного материала. Например, конус может быть изготовлен из целлюлозной бумаги, в которую добавлено некоторое количество углеродного волокна , кевлара , стекла , пеньки или бамбуковых волокон; 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 выравнивание с зазором магнита, возможно, позволяя звуковой катушке тереться о магнит вокруг зазора. Шасси обычно отливаются из алюминиевого сплава в динамиках с более тяжелой структурой магнита; или штампуются из тонколистовой стали в драйверах с более легкой структурой. [2] Другие материалы, такие как формованный пластик и демпфированные пластиковые композитные корзины, становятся обычными, особенно для недорогих драйверов с малой массой. Металлическое шасси может играть важную роль в отводе тепла от звуковой катушки; нагрев во время работы изменяет сопротивление, вызывает физические размерные изменения и, если он экстремальный, поджаривает лак на звуковой катушке; он может даже размагнитить 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 поршневое движение, выровненное с магнитным зазором. Крестовина обычно изготавливается из гофрированного тканевого диска, пропитанного смолой для придания жесткости. Название происходит от формы ранних подвесок, которые представляли собой два концентрических кольца из бакелитового материала, соединенных шестью или восемью изогнутыми ножками . Вариации этой топологии включали добавление войлочного диска для обеспечения барьера для частиц, которые в противном случае могли бы вызвать трение звуковой катушки.
Конусная окантовка может быть из резины или полиэфирной пены , обработанной бумаги или кольца из гофрированной ткани, покрытой смолой; она крепится как к внешней окружности конуса, так и к верхней раме. Эти разнообразные окружающие материалы, их форма и обработка могут существенно влиять на акустическую мощность драйвера; каждая реализация имеет свои преимущества и недостатки. Полиэфирная пена, например, легкая и экономичная, хотя обычно в некоторой степени пропускает воздух и ухудшается со временем, воздействием озона, ультрафиолетового света, влажности и повышенных температур, что ограничивает срок службы до отказа.
Провод в звуковой катушке обычно изготавливается из меди , хотя может использоваться алюминий и, реже, серебро . Преимущество алюминия в его малом весе, что снижает движущуюся массу по сравнению с медью. Это повышает резонансную частоту динамика и увеличивает его эффективность. Недостатком алюминия является то, что его трудно паять, поэтому соединения должны быть надежно обжаты и герметизированы. Поперечное сечение провода звуковой катушки может быть круглым, прямоугольным или шестиугольным, что обеспечивает различное количество объема провода в пространстве магнитного зазора. Катушка ориентирована коаксиально внутри зазора; она движется вперед и назад в пределах небольшого кругового объема (отверстия, щели или канавки) в магнитной структуре. Зазор устанавливает концентрированное магнитное поле между двумя полюсами постоянного магнита; внешнее кольцо зазора является одним полюсом, а центральный штырь (называемый полюсным наконечником) — другим. Полюсный наконечник и задняя пластина часто изготавливаются как единое целое, называемое полюсной пластиной или ярмом.
Размер и тип магнита и детали магнитной цепи 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 драйвера. Закорачивающее кольцо , или петля Фарадея , может быть включено в качестве тонкого медного колпачка, установленного на наконечнике полюса, или в качестве тяжелого кольца, расположенного внутри полости магнитного полюса. Преимущества этого усложнения заключаются в сниженном импедансе на высоких частотах, что обеспечивает расширенный выход высоких частот, сниженные гармонические искажения и снижение 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 снижает доступный поток, требуя большего магнита для эквивалентной производительности.
Электромагниты часто использовались в корпусах усилителей музыкальных инструментов вплоть до 1950-х годов; экономия была в тех случаях, когда использовались ламповые усилители, поскольку катушка возбуждения могла, и обычно делала это, выполнять двойную функцию дросселя питания. Очень немногие производители до сих пор выпускают электродинамические громкоговорители с электрическими катушками возбуждения , как это было принято в самых ранних конструкциях.
Alnico , сплав алюминия, никеля и кобальта, стал популярным после Второй мировой войны, поскольку он избавился от проблем с драйверами с катушками возбуждения. Alnico широко использовался до 1960-х годов, несмотря на проблему частичного размагничивания магнитов alnico . [3] В 1960-х годах большинство производителей драйверов перешли с alnico 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 alnico, он существенно дешевле, что позволяет разработчикам использовать более крупные, но более экономичные магниты для достижения заданной производительности. Из-за увеличения транспортных расходов и желания иметь более мелкие и легкие устройства, существует тенденция к использованию более компактных редкоземельных магнитов, изготовленных из таких материалов, как неодим и самарий-кобальт . [4]
Драйверы динамиков включают диафрагму , которая движется вперед и назад, чтобы создавать волны давления в воздушном столбе спереди, и в зависимости от применения, под некоторым углом к сторонам. Диафрагма обычно имеет форму конуса для низких и средних частот или купола для более высоких частот, или реже, ленты, и обычно изготавливается из покрытой или непокрытой бумаги или полипропиленового пластика. [5] Более экзотические материалы используются в некоторых драйверах, таких как тканое стекловолокно , углеродное волокно , алюминий , титан , чистый перекрестный углерод и очень немногие используют PEI, полиимид, полиэтилентерефталатную пленку в качестве конуса, купола или радиатора.
Все динамики имеют средства для электрического возбуждения движения вперед и назад. Обычно к шейке конуса динамика прикреплена плотно намотанная катушка изолированного провода (известная как звуковая катушка ). В ленточном динамике звуковая катушка может быть напечатана или приклеена к листу очень тонкой бумаги, алюминия, стекловолокна или пластика. Этот конус, купол или другой излучатель крепится на своем внешнем крае с помощью гибкого каркаса к жесткой раме, которая поддерживает постоянный магнит в непосредственной близости от звуковой катушки. Ради эффективности относительно легкая звуковая катушка и конус являются подвижными частями динамика, тогда как гораздо более тяжелый магнит остается неподвижным. Другими типичными компонентами являются крестовина или демпфер, используемые в качестве элемента задней подвески, простые клеммы или зажимные клеммы для подключения аудиосигнала и, возможно, податливая прокладка для герметизации стыка между шасси и корпусом.
Драйверы почти всегда монтируются в жестком корпусе из дерева, пластика или иногда металла. Этот корпус громкоговорителя или коробка динамика изолирует акустическую энергию от передней части конуса от энергии от задней части конуса. Рупор может использоваться для повышения эффективности и направленности. Решетка , тканевая сетка или другой акустически нейтральный экран обычно предоставляются для косметического скрытия драйверов и оборудования, а также для защиты драйвера от физических повреждений.
В процессе работы сигнал подается на звуковую катушку с помощью электрических проводов, от усилителя через акустический кабель , затем через гибкую мишурную проволоку к подвижной катушке. Ток создает магнитное поле , которое заставляет диафрагму попеременно смещаться в одну или другую сторону, магнитным полем, создаваемым током, текущим в звуковой катушке, против поля, установленного в магнитном зазоре фиксированной магнитной структурой, когда электрический сигнал изменяется. Результирующее возвратно-поступательное движение приводит в движение воздух перед диафрагмой, что приводит к перепадам давления, которые распространяются в виде звуковых волн .
Крестовина и подвес действуют как пружинный восстанавливающий механизм для движения от сбалансированного положения, установленного при сборке драйвера на заводе. Кроме того, каждый из них способствует центрированию звуковой катушки и конуса, как концентрически внутри магнитной сборки, так и спереди назад, восстанавливая звуковую катушку в критическом положении внутри магнитного зазора, ни к одному концу, ни к другому.
Звуковая катушка и магнит по сути образуют линейный двигатель , работающий против центрирующего «пружинного натяжения» крестовины и подвеса. Если бы не было ограничений на расстояние перемещения, налагаемых крестовиной и подвесом, звуковая катушка могла бы быть вытолкнута из магнитного узла на высоких уровнях мощности или перемещаться внутрь достаточно глубоко, чтобы столкнуться с задней частью магнитного узла. Большинство динамиков работают только против центрирующих сил крестовины и подвеса и не отслеживают активно положение элемента динамика или не пытаются точно позиционировать его. Некоторые конструкции динамиков имеют средства для этого (обычно называемые сервомеханизмами ); они обычно используются только в вуферах и особенно сабвуферах из-за значительно увеличенных отклонений конуса, требуемых на этих частотах в динамике, размер конуса которого значительно меньше длины волны некоторых звуков, которые он создан для воспроизведения (т. е. басовые частоты ниже, возможно, 100 Гц или около того).
Динамики могут быть спроектированы для работы в широком или узком диапазоне частот . Маленькие диафрагмы не очень хорошо подходят для перемещения большого объема воздуха, который требуется для хорошего низкочастотного отклика. И наоборот, большие динамики могут иметь тяжелые звуковые катушки и конусы, которые ограничивают их способность двигаться на очень высоких частотах. Динамики, сжатые за пределы своих проектных пределов, могут иметь высокие искажения . В многополосной акустической системе предусмотрены специализированные динамики для воспроизведения определенных диапазонов частот, а входящий сигнал разделяется кроссовером . Динамики можно подразделить на несколько типов: полнодиапазонные , высокочастотные , супервысокочастотные , среднечастотные , низкочастотные и сабвуферы .
Динамики являются основными средствами воспроизведения звука. Они используются, среди прочего, в аудиоприложениях, таких как громкоговорители, наушники , телефоны , мегафоны , инструментальные усилители , телевизионные и мониторные динамики, системы оповещения , портативные радиоприемники , игрушки и во многих электронных устройствах, которые предназначены для воспроизведения звука.