Низкочастотный или басовый динамик — это технический термин, обозначающий динамик громкоговорителя , предназначенный для воспроизведения низкочастотных звуков, обычно от 20 Гц до нескольких сотен Гц. Сабвуфер может занять нижнюю часть этого диапазона, обычно до 80 Гц. Название происходит от звукоподражательного английского слова, обозначающего глубокий лай собаки, « гав » [1] (в отличие от твитера — названия, используемого для громкоговорителей, предназначенных для воспроизведения высокочастотных звуков, происходящих от пронзительных криков птиц», — твиттеры) . "). Наиболее распространенной конструкцией низкочастотного динамика является электродинамический драйвер , в котором обычно используется жесткий бумажный диффузор , приводимый в движение звуковой катушкой , окруженной магнитным полем .
Звуковая катушка крепится клеем к задней части диффузора громкоговорителя. Звуковая катушка и магнит образуют линейный электродвигатель . Когда ток протекает через звуковую катушку, катушка перемещается относительно рамы в соответствии с правилом левой руки Флеминга для двигателей , заставляя катушку толкать или тянуть диффузор динамика, подобно поршню. Результирующее движение конуса создает звуковые волны , когда он движется внутрь и наружу.
При обычном уровне звукового давления (SPL) большинство людей слышат частоты примерно до 20 Гц. [2] Низкочастотные динамики обычно используются для покрытия самых низких октав частотного диапазона громкоговорителя. В двухполосных акустических системах динамики, обрабатывающие нижние частоты, также обязаны покрывать значительную часть среднего диапазона, часто от 800 до 1000 Гц; такие динамики обычно называют среднечастотными динамиками . С 1990-х годов тип низкочастотного динамика, предназначенный только для очень низких частот, — сабвуфер — стал широко использоваться в системах домашнего кинотеатра и акустических системах для усиления басов ; сабвуферы обычно обрабатывают самые низкие две или три октавы (т. е. от 20 до 80 или 120 Гц).
Хорошая конструкция низкочастотного динамика требует эффективного преобразования сигнала низкочастотного усилителя в механическое движение воздуха с высокой точностью и приемлемой эффективностью, а этому одновременно способствует и усложняет необходимость использования корпуса громкоговорителя для связи движения диффузора с воздухом. Если все сделано правильно, многие другие проблемы конструкции низкочастотного динамика (например, требования к линейному отклонению) уменьшаются.
В большинстве случаев низкочастотный динамик и его корпус должны быть спроектированы для совместной работы. Обычно корпус проектируется с учетом характеристик используемого динамика или динамиков. Размер корпуса зависит от самых длинных волн (самых низких частот), которые необходимо воспроизвести, а корпус низкочастотного динамика намного больше, чем требуется для средних и высоких частот .
Сеть кроссовера , пассивная или активная, фильтрует полосу частот, обрабатываемую низкочастотным динамиком и другими динамиками. Обычно ожидается, что кроссовер и акустическая система, включая низкочастотный динамик, преобразуют электрический сигнал, подаваемый усилителем, в акустический сигнал идентичной формы без какого-либо другого взаимодействия между усилителем и динамиками, хотя иногда усилитель и динамики проектируются вместе с динамиками. подача искажений -коррекция отрицательной обратной связи на усилитель.
Существует множество проблем при проектировании и производстве низкочастотных динамиков. Большинство из них связано с управлением движением диффузора, чтобы электрический сигнал, поступающий на звуковую катушку низкочастотного динамика, точно воспроизводился звуковыми волнами, создаваемыми движением диффузора. Проблемы включают в себя чистое демпфирование диффузора без слышимых искажений, чтобы он не продолжал двигаться, вызывая звон , когда мгновенный входной сигнал падает до нуля в каждом цикле, и управление высокими отклонениями (обычно необходимыми для воспроизведения громких звуков) с низкими искажениями. Существуют также проблемы с обеспечением усилителя электрического сопротивления , которое не слишком далеко от постоянного на всех частотах.
Ранняя версия ныне широко используемой конструкции корпуса с фазоинвертором была запатентована Альбертом Л. Турасом из Bell Laboratories в 1932 году . [3]
В 1965 году компания Sennheiser Electronics представила звуковую систему Philharmonic, в которой использовалась электроника для решения некоторых проблем, с которыми сталкиваются обычные подсистемы низкочастотных динамиков. Они добавили к низкочастотному динамику датчик движения и использовали сигнал, соответствующий его фактическому движению, для обратной связи в качестве управляющего входа для специально разработанного усилителя. Если все сделать осторожно, это может значительно улучшить характеристики (как «герметичность», так и расширение низкочастотных характеристик) за счет гибкости (усилитель и динамик постоянно связаны друг с другом) и стоимости. В США Л.В. Эрат, инженер нефтяной промышленности, представил линейку высококачественных акустических систем, построенных практически по тому же принципу.
Поскольку затраты на электронику снизились, стало обычным явлением использование низкочастотных динамиков с датчиками в недорогих «музыкальных системах», бумбоксах или даже автомобильных аудиосистемах. Обычно это делается в попытке добиться большей производительности от недорогих или миниатюрных драйверов в легких или плохо спроектированных корпусах. Этот подход представляет трудности, поскольку не все искажения можно устранить с помощью сервотехники , а плохо спроектированный корпус может свести на нет все преимущества любой попытки электронной коррекции.
Поскольку характеристики громкоговорителя можно измерить и в значительной степени спрогнозировать, можно спроектировать специальную схему, которая в некоторой степени компенсирует недостатки акустической системы.
Методы эквализации используются в большинстве систем громкой связи и звукоусиления . Здесь проблема заключается не в воспроизведении Hi-Fi, а в управлении акустической средой. В этом случае эквализация должна быть индивидуально настроена в соответствии с конкретными характеристиками используемых акустических систем и помещения, в котором они используются.
Компьютерные методы, в частности цифровая обработка сигналов (DSP), делают возможным более точный кроссовер. Используя конечную импульсную характеристику (FIR) и другие цифровые методы, кроссоверы для системы с двумя или тремя усилителями могут быть выполнены с точностью, невозможной при использовании аналоговых фильтров, как пассивных, так и активных. Более того, многие особенности драйвера (вплоть до индивидуальных отклонений) можно устранить одновременно, как, например, в недавних разработках Кляйна и Хаммеля. Этот подход сложен и поэтому вряд ли будет использоваться в более дешевом оборудовании.
Все материалы конусов имеют свои преимущества и недостатки. Три основных свойства, которые дизайнеры ищут в конусах, — это легкий вес, жесткость и отсутствие окраски (из-за отсутствия звона ). Экзотические материалы, такие как кевлар и магний, легкие и жесткие, но могут вызывать проблемы со звоном, в зависимости от их изготовления и конструкции. Такие материалы, как бумага (включая бумажные диффузоры с покрытием) и различные полимеры , обычно вызывают меньше шума, чем металлические диафрагмы, но могут быть тяжелее и не такими жесткими. Были хорошие и плохие низкочастотные динамики, изготовленные из любого материала диффузора. Для изготовления диффузоров использовались почти все виды материалов: от стекловолокна, бамбукового волокна до сэндвичей с расширенными алюминиевыми сотами и пластиковых диффузоров, наполненных слюдой .
Рама, или корзина, представляет собой конструкцию, удерживающую диффузор, звуковую катушку и магнит в правильном положении. Поскольку зазор звуковой катушки довольно узкий (зазоры обычно составляют несколько тысячных долей дюйма), жесткость важна для предотвращения трения звуковой катушки о магнитную структуру в зазоре, а также для предотвращения посторонних движений. Существует два основных типа металлического каркаса: штампованный и литой. Штампованные корзины (обычно из стали) — более дешевый вариант. Недостаток рамы этого типа заключается в том, что корзина может прогнуться, если динамик работает на большой громкости, причем сопротивление изгибу наблюдается только в определенных направлениях. Литые корзины дороже, но обычно более жесткие во всех направлениях, имеют лучшее демпфирование (уменьшая собственный резонанс), могут иметь более сложную форму и поэтому обычно предпочтительнее для динамиков более высокого качества.
Важной характеристикой низкочастотного динамика является его номинальная мощность, то есть мощность, которую низкочастотный динамик может выдержать без повреждений. Номинальную электрическую мощность нелегко охарактеризовать, и многие производители указывают пиковые значения, достижимые только в течение очень коротких мгновений без повреждений. Номинальная мощность низкочастотного динамика становится важной, когда громкоговоритель доведен до крайности: приложения, требующие высокой выходной мощности, условия перегрузки усилителя, необычные сигналы (т. будет максимальный ход диффузора) или отказ усилителя. В ситуациях с большой громкостью звуковая катушка низкочастотного динамика нагревается, увеличивает ее сопротивление, вызывая «сжатие мощности» - состояние, при котором уровень выходной звуковой мощности снижается после продолжительной работы на высокой мощности. Дальнейший нагрев может физически деформировать звуковую катушку, вызывая потертости, замыкания из-за ухудшения изоляции проводов или другие электрические или механические повреждения. Внезапная импульсная энергия может расплавить участок провода звуковой катушки, что приведет к разрыву цепи и выходу из строя низкочастотного динамика; необходимый уровень будет зависеть от характеристик водителя. В музыкальных приложениях с обычным уровнем прослушивания номинальная электрическая мощность низкочастотных динамиков обычно не имеет значения; это остается важным для более высокочастотных драйверов.
В динамиках громкоговорителей, включая низкочастотные динамики, существует три типа управления мощностью: термический (нагрев), электрический (оба описаны выше) и механический. Предел механической мощности достигается, когда ход конуса достигает максимального предела. Пределы тепловой мощности могут быть достигнуты, когда довольно высокие уровни мощности подаются на низкочастотный динамик слишком долго, даже если они никогда не превышают механические пределы. Большая часть энергии, подаваемой на звуковую катушку, преобразуется в тепло, а не в звук; все тепло в конечном итоге передается полюсному наконечнику, остальной части магнитной конструкции и раме. Из конструкции низкочастотного динамика тепло в конечном итоге рассеивается в окружающий воздух. Некоторые драйверы включают в себя средства для лучшего охлаждения (например, вентилируемые полюсные наконечники магнитов, специальные теплопроводящие конструкции) для снижения повышенных температур катушки/магнита/корпуса во время работы, особенно в условиях высокого уровня мощности. Если к звуковой катушке прикладывается слишком большая мощность по сравнению с ее способностью выделять тепло, она в конечном итоге превысит максимально безопасную температуру. Клеи могут расплавиться, каркас звуковой катушки может расплавиться или деформироваться, а изоляция, разделяющая обмотки звуковой катушки , может выйти из строя. Каждое из этих событий приведет к повреждению низкочастотного динамика, что, возможно, приведет к его непригодности к использованию.
Низкочастотные динамики, предназначенные для систем громкой связи (PA) и инструментальных усилителей, по конструкции аналогичны домашним низкочастотным динамикам, за исключением того, что они обычно имеют более прочную конструкцию. Обычно конструктивные различия включают в себя: шкафы, рассчитанные на повторную транспортировку и транспортировку, более крупные диффузоры низкочастотных динамиков для обеспечения более высоких уровней звукового давления, более прочные звуковые катушки, способные выдерживать более высокую мощность, и более высокую жесткость подвески. Как правило, можно ожидать, что домашний низкочастотный динамик, используемый в акустических системах/инструментах, выйдет из строя быстрее, чем низкочастотный громкоговоритель/инструментальный динамик. С другой стороны, низкочастотный громкоговоритель/инструментальный динамик в домашней аудиосистеме не будет иметь такого же качества звучания, особенно на низкой громкости. Из-за этих различий НЧ-динамик PA не будет обеспечивать такую же высокую точность звука, которая является целью высококачественного домашнего звука. [ нужна цитата ]
Низкочастотные динамики акустической системы обычно обладают высокой эффективностью и высокой пропускной способностью. Компромиссом для высокой эффективности при разумной цене обычно является относительно низкая способность отклонения (т. е. невозможность перемещаться «внутри и наружу» настолько далеко, насколько это возможно для многих домашних низкочастотных динамиков), поскольку они предназначены для рупорных или больших рефлексных корпусов. Они также обычно плохо подходят для расширенного воспроизведения низких частот, поскольку последняя октава низких частот значительно увеличивает размер и стоимость, и становится все более нерентабельным пытаться достичь высоких уровней, как в приложениях PA. Домашний низкочастотный стереофонический динамик, поскольку он используется на относительно низкой громкости, может воспроизводить очень низкие частоты. По этой причине большинство низкочастотных динамиков PA не очень хорошо подходят для использования в домашних условиях с высоким качеством воспроизведения, и наоборот.
При обычных уровнях звукового давления [2] большинство людей слышат звуки примерно до 20 Гц. Чтобы точно воспроизвести самые низкие тона, низкочастотный динамик или группа низкочастотных динамиков должны перемещать достаточно большой объем воздуха — задача, которая становится более сложной на более низких частотах. Чем больше помещение, тем больше воздуха придется вытеснить низкочастотному динамику, чтобы произвести необходимую звуковую мощность на низких частотах.
