Высокочастотный динамик или твитер — это особый тип громкоговорителя (обычно купольного, инверсного купольного или рупорного типа), который предназначен для воспроизведения высоких звуковых частот, как правило, до 100 кГц. Название происходит от высокочастотных звуков, издаваемых некоторыми птицами (чириканье), особенно в отличие от низких гавканий, издаваемых многими собаками , в честь которых и названы низкочастотные динамики ( вуферы ).
Почти все твитеры являются электродинамическими драйверами, использующими звуковую катушку , подвешенную в фиксированном магнитном поле. Эти конструкции работают, подавая ток с выхода схемы усилителя на катушку провода, называемую звуковой катушкой . Звуковая катушка создает переменное магнитное поле, которое работает против фиксированного магнитного поля постоянного магнита, вокруг которого подвешена цилиндрическая звуковая катушка, заставляя звуковую катушку и прикрепленную к ней диафрагму двигаться. Это механическое движение напоминает форму волны электронного сигнала, подаваемого с выхода усилителя на звуковую катушку. Поскольку катушка прикреплена к диафрагме, вибрационное движение звуковой катушки передается на диафрагму; диафрагма, в свою очередь, вибрирует воздух, тем самым создавая воздушные движения или звуковые волны, которые слышны как высокие звуки.
Современные твитеры обычно отличаются от старых твитеров, которые обычно были уменьшенными версиями вуферов . По мере развития технологии твитеров стали популярными различные варианты их применения. Многие диафрагмы мягких куполов твитеров изготавливаются методом термоформования из полиэфирной пленки или шелка или полиэфирной ткани, пропитанной полимерной смолой. Твитеры с жестким куполом обычно изготавливаются из алюминия, алюминиево-магниевых сплавов или титана.
Твитеры предназначены для преобразования электрического сигнала в механическое движение воздуха без добавления или вычитания, но этот процесс несовершенен, и реальные твитеры подразумевают компромиссы. Среди проблем при проектировании и производстве твитеров: обеспечение адекватного демпфирования, чтобы быстро остановить движение купола, когда сигнал заканчивается; обеспечение линейности подвески, что позволяет получить высокий выход на нижнем конце его частотного диапазона; обеспечение отсутствия контакта с магнитным узлом, сохранение купола в центре при его движении; и обеспечение адекватной мощности без добавления чрезмерной массы. Твитеры способствуют хорошо сбалансированному и насыщенному звуковому опыту, фокусируясь на более высоких звуковых частотах. [1]
Высокочастотные динамики также могут работать совместно с низкочастотными динамиками, которые отвечают за генерацию низких частот или басов. [2]
Некоторые твитеры располагаются снаружи основного корпуса в собственном полунезависимом блоке. Примерами служат « супертвитеры » и новый «яйцевидный твитер» от Ohm. Последний подключается и поворачивается для регулировки звукового поля в зависимости от положения слушателя и предпочтений пользователя. Разделение от перегородки считается оптимальным в соответствии с теорией, что наименьшая возможная перегородка является оптимальной для твитеров. [3]
Большинство твитеров предназначены для воспроизведения частот вплоть до формально определенного верхнего предела диапазона человеческого слуха (обычно указывается как 20 кГц); некоторые работают на частотах примерно от 5 кГц до 20 кГц. Твитеры с большим верхним диапазоном были разработаны для психоакустического тестирования, для цифрового звука расширенного диапазона, такого как Super Audio CD , предназначенного для аудиофилов , для биологов, проводящих исследования реакции животных на звуки, и для систем окружающего звука в зоопарках. Были созданы ленточные твитеры, которые могут воспроизводить 80 кГц [4] и даже 100 кГц. [5]
Все материалы купола имеют свои преимущества и недостатки. Три свойства, которые ищут дизайнеры в куполах, — это малая масса, высокая жесткость и хорошее демпфирование. Celestion были первыми производителями, которые изготавливали купольные твитеры из металла, меди . В настоящее время используются другие металлы, такие как алюминий , титан , магний и бериллий , а также различные их сплавы, которые являются одновременно легкими и жесткими, но имеют низкое демпфирование; их резонансные моды возникают выше 20 кГц. Более экзотические материалы, такие как синтетический алмаз , также используются из-за их чрезвычайной жесткости. Полиэтилентерефталатная пленка и тканый шелк страдают от меньшего звона, но они не такие жесткие, что может ограничивать их очень высокочастотный выход.
В целом, меньшие купольные твитеры обеспечивают более широкое рассеивание звука на самых высоких частотах. Однако меньшие купольные твитеры имеют меньшую площадь излучения, что ограничивает их выход на нижнем конце их диапазона; и они имеют меньшие звуковые катушки, что ограничивает их общую выходную мощность.
Феррожидкость представляет собой суспензию очень мелких (обычно 10 нм) магнитных частиц оксида железа в жидкости с очень низкой летучестью , обычно синтетическом масле. Широкий диапазон вариантов вязкости и магнитной плотности позволяет разработчикам добавлять демпфирование, охлаждение или и то, и другое. Феррожидкость также помогает центрировать звуковую катушку в магнитном зазоре, уменьшая искажения. Жидкость обычно впрыскивается в магнитный зазор и удерживается на месте сильным магнитным полем. Если твитер подвергался воздействию повышенных уровней мощности, происходит некоторое загустевание феррожидкости, поскольку часть несущей жидкости испаряется. В крайних случаях это может ухудшить качество звука и выходной уровень твитера, и жидкость необходимо удалить и установить новую.
Твитеры, предназначенные для звукоусиления и музыкальных инструментов, в целом похожи на твитеры высокой точности, хотя их обычно называют не твитерами, а «высокочастотными драйверами». Основные различия в требованиях к конструкции: крепления, рассчитанные на многократную транспортировку и обработку, драйверы часто монтируются на рупорные конструкции для обеспечения более высоких уровней звука и лучшего контроля за рассеиванием звука, и более прочные звуковые катушки, чтобы выдерживать более высокие уровни мощности, которые обычно встречаются. Высокочастотные драйверы в PA-рупорах часто называют « компрессионными драйверами » из-за режима акустической связи между диафрагмой драйвера и горлом рупора.
В конструкции диафрагм компрессионного драйвера используются различные материалы, включая титан, алюминий, пропитанную фенолом ткань, полиимид и пленку ПЭТ , каждая из которых имеет свои собственные характеристики. Диафрагма приклеивается к каркасу звуковой катушки, обычно изготовленному из другого материала, чем купол, поскольку он должен выдерживать тепло без разрывов или значительных изменений размеров. Полиимидная пленка, Nomex и стекловолокно популярны для этого применения. Подвеска может быть продолжением диафрагмы и приклеивается к монтажному кольцу, которое может вставляться в паз, поверх установочных штифтов или крепиться с помощью крепежных винтов. Диафрагма обычно имеет форму перевернутого купола и загружается в ряд конических каналов в центральной структуре, называемой фазовой заглушкой , которая выравнивает длину пути между различными областями диафрагмы и горловиной рупора, предотвращая акустические подавления между различными точками на поверхности диафрагмы. Фазовая заглушка выходит в коническую трубку, которая образует начало самого рупора. Это медленно расширяющееся горло внутри драйвера продолжается в раструбе рупора. Раструб рупора управляет диаграммой покрытия или направленностью и, как акустический трансформатор, добавляет усиление. Профессиональная комбинация рупора и компрессионного драйвера имеет выходную чувствительность от 105 до 112 дБ/Вт/м. Это значительно более эффективно (и менее термически опасно для небольшой звуковой катушки и каркаса), чем другие конструкции твитера.
Конусные твитеры имеют ту же базовую конструкцию и форму, что и вуфер с оптимизацией для работы на более высоких частотах. Оптимизации обычно следующие:
Конусные твитеры были популярны в старых стереодинамиках hi-fi, разработанных и изготовленных в 1960-х и 1970-х годах в качестве альтернативы купольному твитеру (который был разработан в конце 1950-х годов). Конусные твитеры сегодня часто относительно дешевы, но многие из них в прошлом были высокого качества, например, те, что производились Audax/Polydax, Bozak, CTS, JBL, Tonegen и SEAS. Эти винтажные конусные твитеры демонстрировали очень ровную частотную характеристику, низкий уровень искажений, быструю переходную реакцию, низкую резонансную частоту и плавный спад на низких частотах, облегчая конструкцию кроссовера.
Типичным для эпохи 1960-х/1970-х годов был твитер CTS с конусным "фенольным кольцом", демонстрирующий ровную характеристику от 2000 до 15000 Гц, низкий уровень искажений и быструю переходную характеристику. Твитер CTS с "фенольным кольцом" получил свое название от оранжевого краевого подвесного кольца, которое у него есть и которое сделано из фенола. Он использовался во многих марках и моделях хорошо известных винтажных динамиков и был устройством средней ценовой категории.
Конусные твитеры имеют более узкую дисперсионную характеристику, которая такая же, как у конусных вуферов. Поэтому многие разработчики считали, что это делает их хорошими партнерами для конусных среднечастотных и низкочастотных динамиков, позволяя создавать превосходную стереокартину. Однако «зона наилучшего восприятия», создаваемая узкой дисперсией конусных твитеров, мала. Колонки с конусными твитерами обеспечивали наилучшую стереокартину, когда располагались в углах комнаты, что было обычной практикой в 1950-х, 1960-х и начале 1970-х годов.
В 1970-х и 1980-х годах широкое распространение высококачественных аудиофильских дисков и появление компакт-дисков привело к тому, что конусные твитеры потеряли популярность, поскольку они редко превышают 15 кГц. Аудиофилы считали, что конусным твитерам не хватает «воздушности» купольных твитеров или других типов. Тем не менее, многие высококачественные конусные твитеры оставались в ограниченном производстве Audax, JBL и SEAS до середины 1980-х годов.
Конусные твитеры теперь редко используются в современном hi-fi и обычно встречаются в недорогих приложениях, таких как заводские автомобильные динамики, компактные стереосистемы и бумбоксы. Некоторые производители бутиковых динамиков недавно вернулись к высококачественным конусным твитерам, особенно к воссозданным моделям CTS с фенольным кольцом, чтобы создать продукт с винтажным звучанием.
Купольный твитер изготавливается путем прикрепления звуковой катушки к куполу (изготовленному из тканого материала, тонкого металла или другого подходящего материала), который крепится к магниту или верхней пластине с помощью подвески с низкой податливостью. Эти твитеры обычно не имеют рамы или корзины, а имеют простую переднюю пластину, прикрепленную к магнитному узлу. Купольные твитеры классифицируются по диаметру звуковой катушки и варьируются от 19 мм (0,75 дюйма) до 38 мм (1,5 дюйма). Подавляющее большинство купольных твитеров, используемых в настоящее время в hi-fi-колонках, имеют диаметр 25 мм (1 дюйм).
Разновидностью является кольцевой излучатель, в котором «подвеска» конуса или купола становится основным излучающим элементом. Эти твитеры имеют другие характеристики направленности по сравнению со стандартными купольными твитерами.
Пьезоэлектрический (или пьезоэлектрический) твитер содержит пьезоэлектрический кристалл , соединенный с механической диафрагмой. Аудиосигнал подается на кристалл, который реагирует изгибом пропорционально напряжению, приложенному к поверхностям кристалла, тем самым преобразуя электрическую энергию в механическую.
Преобразование электрических импульсов в механические колебания и преобразование возвращенных механических колебаний обратно в электрическую энергию является основой ультразвукового контроля. Активный элемент является сердцем преобразователя, поскольку он преобразует электрическую энергию в акустическую энергию и наоборот. Активный элемент в основном представляет собой кусок поляризованного материала (т. е. некоторые части молекулы заряжены положительно, а другие части молекулы заряжены отрицательно) с электродами, прикрепленными к двум его противоположным граням. Когда электрическое поле прикладывается к материалу, поляризованные молекулы выстраиваются в соответствии с электрическим полем, что приводит к индуцированным диполям в молекулярной или кристаллической структуре материала. Это выравнивание молекул приведет к изменению размеров материала. Это явление известно как электрострикция . Кроме того, постоянно поляризованный материал, такой как кварц (SiO 2 ) или титанат бария (BaTiO 3 ), будет создавать электрическое поле, когда материал изменяет размеры в результате приложенной механической силы. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект .
Пьезо-твитеры редко используются в аудио высокого класса из-за их низкой точности, хотя они и были представлены в некоторых высококлассных разработках конца 70-х годов, таких как Celef PE1, в котором они использовались как супер-твитер в сочетании с обычным купольным твитером. Их часто используют в игрушках, зуммерах, будильниках, корпусах бас-гитарных динамиков, дешевых компьютерных или стереодинамиках и PA-рупорах. [ необходима цитата ]
Ленточный твитер использует очень тонкую диафрагму (часто из алюминия или, возможно, металлизированной пластиковой пленки), которая поддерживает плоскую катушку, часто изготовленную путем осаждения паров алюминия, подвешенную в мощном магнитном поле (обычно создаваемом неодимовыми магнитами) для воспроизведения высоких частот. Развитие ленточных твитеров более или менее следовало за развитием ленточных микрофонов . Лента сделана из очень легкого материала и поэтому способна к очень высокому ускорению и расширенному высокочастотному отклику. Ленты традиционно не способны к высокой выходной мощности (главная причина — большие зазоры магнитов, приводящие к плохой магнитной связи). Но более мощные версии ленточных твитеров становятся обычным явлением в крупномасштабных системах звукоусиления линейных массивов, которые могут обслуживать многотысячную аудиторию. Они привлекательны в этих приложениях, поскольку почти все ленточные твитеры по своей природе демонстрируют полезные направленные свойства с очень широкой горизонтальной дисперсией (охватом) и очень плотной вертикальной дисперсией. Эти драйверы можно легко укладывать вертикально, создавая высокочастотный линейный массив, который производит высокие уровни звукового давления гораздо дальше от мест расположения динамиков, чем обычные твитеры.
Некоторые разработчики громкоговорителей используют планарный магнитный твитер, иногда называемый квазилентой. Планарные магнитные твитеры, как правило, менее дороги, чем настоящие ленточные твитеры, но не являются их точной копией, поскольку лента из металлической фольги легче, чем диафрагма в планарном магнитном твитере, а магнитные структуры отличаются. Обычно используется тонкий кусок полиэтилентерефталатной пленки или пластика с проводом звуковой катушки, проходящим много раз вертикально на материале. Магнитная структура менее дорога, чем у ленточных твитеров.
Электростатический твитер работает по тем же принципам, что и полнодиапазонный электростатический динамик или пара электростатических наушников. Этот тип динамика использует тонкую диафрагму (обычно пластиковую и, как правило, ПЭТ - пленку) с тонким проводящим покрытием, подвешенную между двумя экранами или перфорированными металлическими листами, называемыми статорами.
Выходной сигнал усилителя мощности подается на первичную обмотку повышающего трансформатора со средней точкой вторичной обмотки, а очень высокое напряжение — от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт — подается между средней точкой трансформатора и диафрагмой. Электростатика этого типа обязательно включает в себя источник питания высокого напряжения для обеспечения используемого высокого напряжения. Статоры подключены к оставшимся клеммам трансформатора. Когда звуковой сигнал подается на первичную обмотку трансформатора, статоры электрически приводятся в действие на 180 градусов в противофазе, попеременно притягивая и отталкивая диафрагму.
Необычный способ управления электростатическим динамиком без трансформатора — это подключение пластин двухтактного лампового усилителя непосредственно к статорам и источника высокого напряжения между диафрагмой и землей.
Электростатика уменьшила гармонические искажения четного порядка благодаря своей конструкции push-pull. Они также имеют минимальные фазовые искажения. Конструкция довольно старая (первоначальные патенты датируются 1930-ми годами), но занимает очень небольшой сегмент рынка из-за высокой стоимости, низкой эффективности, больших размеров для конструкций полного диапазона и хрупкости.
Твитер Air Motion Transformer работает, выталкивая воздух перпендикулярно из гофрированной диафрагмы. Его диафрагма представляет собой сложенные складки пленки (обычно пленки ПЭТ) вокруг алюминиевых стоек, удерживаемых в сильном магнитном поле. В последние десятилетия ESS of California выпустила серию гибридных громкоговорителей, использующих такие твитеры вместе с обычными вуферами, называя их преобразователями Heil в честь их изобретателя Оскара Хейла . Они способны обеспечивать значительные уровни выходного сигнала и гораздо более прочны, чем электростатика или ленты, но имеют аналогичные маломассивные подвижные элементы.
Большинство современных АМТ-драйверов по эффективности и частотной характеристике аналогичны оригинальным разработкам Оскара Хайля 1970-х годов.
Рупорный твитер — это любой из вышеперечисленных твитеров, соединенный с расширяющейся или рупорной структурой. Рупоры используются для двух целей — для управления дисперсией и для соединения диафрагмы твитера с воздухом для более высокой эффективности. Твитер в любом случае обычно называется компрессионным драйвером и сильно отличается от более распространенных типов твитеров (см. выше). При правильном использовании рупор улучшает внеосевой отклик твитера, контролируя (т. е. уменьшая) направленность твитера. Он также может улучшить эффективность твитера, соединяя относительно высокое акустическое сопротивление драйвера с более низким сопротивлением воздуха. Чем больше рупор, тем ниже частоты, на которых он может работать, поскольку большие рупоры обеспечивают связь с воздухом на более низких частотах. Существуют различные типы рупоров, включая радиальные и постоянной направленности (CD). Рупорные твитеры могут иметь несколько «другую» звуковую сигнатуру, чем простые купольные твитеры. Плохо спроектированные рупоры или неправильно перекрещенные рупоры имеют предсказуемые проблемы с точностью их выходного сигнала и нагрузкой, которую они представляют для усилителя. Возможно, обеспокоенные образом плохо спроектированных рупоров, некоторые производители используют твитеры с рупорной нагрузкой, но избегают использования этого термина. Их эвфемизмы включают «эллиптическая апертура», «полурупор» и «управляемая направленность». Тем не менее, это форма рупорной нагрузки.
Поскольку ионизированный газ электрически заряжен и, таким образом, может управляться переменным электрическим полем, можно использовать небольшую сферу плазмы в качестве твитера. Такие твитеры называются плазменными твитерами или ионными твитерами. Они могут быть сложнее других твитеров (в других типах генерация плазмы не требуется), но имеют то преимущество, что движущаяся масса оптимально мала - если не относительно безмассовая и поэтому очень чувствительна к входному сигналу. Ранние модели этих твитеров не были способны ни на высокую выходную мощность, ни на воспроизведение других, кроме очень высокой частоты, и поэтому обычно используются в горле рупорной структуры для управления полезными выходными уровнями. Одним из недостатков является то, что плазменная дуга может производить озон и NOx , ядовитые газы, в небольших количествах в качестве побочного продукта. Из-за этого динамики Magnat немецкого производства "magnasphere" были запрещены к импорту в США в 1980-х годах. Любая современная конструкция использует катализаторы для снижения выхода газа до незначительных количеств.
В прошлом доминирующим производителем в США был DuKane около Сент-Луиса, который производил Ionovac; также продаваемый в Великобритании как Ionophone. Electro-Voice в течение короткого времени производил модель по лицензии вместе с DuKane от изобретателя Зигфрида Кляйна. Эти ранние модели были капризными и требовали регулярной замены ячейки, в которой генерировалась плазма (устройство DuKane использовало прецизионно обработанную кварцевую ячейку). В результате они были дорогими устройствами по сравнению с другими конструкциями. Те, кто слышал Ionovacs, сообщают, что в разумно спроектированной акустической системе высокие частоты были «воздушными» и очень подробными, хотя высокая выходная мощность была невозможна.
В 1980-х годах плазменный твитер также использовался в динамике Plasmatronics , хотя производитель недолго оставался на рынке, и было продано очень мало этих сложных устройств.
