Громкоговоритель (обычно называемый динамиком или, более полно, акустической системой ) представляет собой комбинацию одного или нескольких динамиков , корпуса и электрических соединений (возможно, включая кроссоверную сеть ). Динамик — это электроакустический преобразователь [1] : 597 , который преобразует электрический аудиосигнал в соответствующий звук . [ 2]
Драйвер можно рассматривать как линейный двигатель , прикрепленный к диафрагме , которая связывает движение этого двигателя с движением воздуха, то есть со звуком. Аудиосигнал, обычно от микрофона, записи или радиопередачи, усиливается электронным способом до уровня мощности, способного управлять этим двигателем, чтобы воспроизвести звук, соответствующий исходному неусиленному электронному сигналу. Таким образом, это противоположная функция микрофона ; действительно, динамический динамик , безусловно, наиболее распространенный тип, представляет собой линейный двигатель в той же базовой конфигурации, что и динамический микрофон , который использует такой двигатель наоборот, как генератор .
Динамический динамик был изобретен в 1925 году Эдвардом У. Келлогом и Честером У. Райсом . Когда электрический ток от аудиосигнала проходит через его звуковую катушку — катушку провода, способную двигаться в осевом направлении в цилиндрическом зазоре, содержащем концентрированное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом , — катушка вынуждена быстро двигаться вперед и назад из-за закона индукции Фарадея ; она прикрепляется к диафрагме или конусу динамика (так как он обычно имеет коническую форму для прочности) в контакте с воздухом, таким образом создавая звуковые волны . В дополнение к динамическим динамикам, возможны несколько других технологий для создания звука из электрического сигнала, некоторые из которых находятся в коммерческом использовании.
Для того чтобы динамик эффективно воспроизводил звук, особенно на низких частотах, динамик должен быть изолирован так, чтобы звук, исходящий из его задней части, не отменял (предполагаемый) звук спереди; это обычно принимает форму корпуса динамика или кабинета динамика , часто прямоугольного ящика из дерева, но иногда металла или пластика. Конструкция корпуса играет важную акустическую роль, таким образом определяя качество получаемого звука. Большинство высококачественных акустических систем (рисунок справа) включают в себя два или более видов динамиков, каждый из которых специализируется на одной части слышимого диапазона частот. Меньшие динамики, способные воспроизводить самые высокие звуковые частоты, называются твитерами , те, что для средних частот, называются среднечастотными динамиками, а те, что для низких частот, называются вуферами . Иногда воспроизведение самых низких частот (20–~50 Гц ) дополняется так называемым сабвуфером, часто в его собственном (большом) корпусе. В двух- или трехполосной акустической системе (с драйверами, охватывающими два или три различных частотных диапазона) есть небольшое количество пассивной электроники, называемой кроссоверной сетью , которая помогает направлять компоненты электронного сигнала на драйверы динамиков, наилучшим образом способные воспроизводить эти частоты. В так называемой активной акустической системе усилитель мощности, фактически питающий драйверы динамиков, встроен в сам корпус; они становятся все более и более распространенными, особенно в качестве компьютерных колонок.
Меньшие динамики используются в таких устройствах, как радио , телевизоры , портативные аудиоплееры , персональные компьютеры ( компьютерные колонки ), наушники и вкладыши . 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 оповещения .
Термин «громкоговоритель» может относиться к отдельным преобразователям (также известным как драйверы ) или к полным акустическим системам, состоящим из корпуса и одного или нескольких драйверов.
Для адекватного и точного воспроизведения широкого диапазона частот с равномерным покрытием большинство акустических систем используют более одного драйвера, особенно для более высокого уровня звукового давления (SPL) или максимальной точности. Отдельные драйверы используются для воспроизведения различных диапазонов частот. Драйверы называются сабвуферами (для очень низких частот); вуферами (низкие частоты); среднечастотными динамиками (средние частоты); твитерами (высокие частоты); а иногда и супертвитерами для самых высоких слышимых частот и выше. Термины для различных драйверов динамиков различаются в зависимости от области применения. В двухполосных системах нет среднечастотного динамика, поэтому задача воспроизведения звуков среднего диапазона разделена между вуфером и твитером. Когда в системе используется несколько драйверов, фильтрующая сеть, называемая аудиокроссовером , разделяет входящий сигнал на различные частотные диапазоны и направляет их на соответствующий драйвер. Акустическая система с n отдельными частотными диапазонами описывается как n-полосные динамики : двухполосная система будет иметь вуфер и твитер; трехполосная система использует низкочастотный динамик, среднечастотный динамик и твитер. Динамики такого типа, как на фото, называются динамическими (сокращение от электродинамические), чтобы отличать их от других видов, включая динамики с подвижным железом и динамики, использующие пьезоэлектрические или электростатические системы.
Иоганн Филипп Рейс установил электрический громкоговоритель в свой телефон в 1861 году; он был способен воспроизводить чистые тона, но более поздние модификации могли также воспроизводить приглушенную речь . [3] Александр Грэхем Белл запатентовал свой первый электрический громкоговоритель (подвижный тип железа, 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 усилительного механизма для его ранних цилиндрических фонографов, но в конечном итоге он остановился на знакомом металлическом рупоре, приводимом в действие мембраной, прикрепленной к игле. В 1898 году Хорас Шорт запатентовал конструкцию громкоговорителя, приводимого в действие сжатым воздухом; Затем он продал права Чарльзу Парсонсу , которому было выдано несколько дополнительных британских патентов до 1910 года. Несколько компаний, включая Victor Talking Machine Company и Pathé , производили проигрыватели, используя громкоговорители на сжатом воздухе. Конструкции на сжатом воздухе существенно ограничены плохим качеством звука и неспособностью воспроизводить звук на низкой громкости. Варианты конструкции использовались для приложений общественного оповещения , а в последнее время другие варианты использовались для испытания устойчивости космического оборудования к очень громкому звуку и уровням вибрации, которые производятся 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. Йенсеном и Эдвином Придхэмом в 1915 году в Напе, Калифорния . [6] Как и предыдущие громкоговорители, они использовали рупоры для усиления звука, производимого небольшой диафрагмой. Йенсену было отказано в патентах. Будучи безуспешными в продаже своего продукта телефонным компаниям, в 1915 году они изменили свой целевой рынок на радиоприемники и системы оповещения и назвали свой продукт Magnavox . Йенсен в течение многих лет после изобретения громкоговорителя был совладельцем компании Magnavox. [7]
Принцип подвижной катушки, который сегодня широко используется в динамиках, был запатентован в 1925 году Эдвардом У. Келлоггом и Честером У. Райсом . Ключевое отличие между предыдущими попытками и патентом Райса и Келлогга заключается в регулировке механических параметров для обеспечения достаточно плоской частотной характеристики . [8]
Эти первые громкоговорители использовали электромагниты , поскольку большие, мощные постоянные магниты, как правило, не были доступны по разумной цене. Катушка электромагнита, называемая катушкой поля, питалась током 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] Пульсация переменного тока в токе ослаблялась действием прохождения через дроссельную катушку. Однако частоты линии переменного тока имели тенденцию модулировать аудиосигнал , идущий к звуковой катушке, и добавляли слышимый гул. В 1930 году Йенсен представил первый коммерческий громкоговоритель с фиксированным магнитом; однако большие, тяжелые железные магниты того времени были непрактичны, и громкоговорители с катушкой поля оставались преобладающими до широкого распространения легких магнитов алнико после Второй мировой войны.
В 1930-х годах производители громкоговорителей начали комбинировать два и три динамика или наборы динамиков, каждый из которых был оптимизирован для своего частотного диапазона, чтобы улучшить частотную характеристику и увеличить уровень звукового давления. [10] В 1937 году компания Metro-Goldwyn-Mayer представила первую стандартную для киноиндустрии акустическую систему «The Shearer Horn System for Theatres» [11] , двухполосную систему . Он использовал четыре 15-дюймовых низкочастотных динамика, кроссоверную сеть на 375 Гц и один многоячеистый рупор с двумя компрессионными динамиками, обеспечивающими высокие частоты. Джон Кеннет Хиллиард , Джеймс Буллоу Лансинг и Дуглас Ширер — все они сыграли свою роль в создании системы. На Всемирной выставке в Нью-Йорке 1939 года на башне во Флашинг-Медоуз была установлена очень большая двухсторонняя система оповещения . Восемь 27-дюймовых низкочастотных динамиков были спроектированы Руди Бозаком в его роли главного инженера Cinaudagraph. Высокочастотные динамики, вероятно, были изготовлены Western Electric . [12]
Altec Lansing представила 604 , который стал их самым известным коаксиальным драйвером Duplex , в 1943 году. Он включал в себя высокочастотный рупор, который посылал звук через отверстие в полюсном наконечнике 15-дюймового вуфера для работы с точечным источником. [13] Акустическая система Altec "Voice of the Theatre" была впервые продана в 1945 году, предлагая лучшую согласованность и четкость на высоких уровнях выходного сигнала, необходимых в кинотеатрах. [14] Академия кинематографических искусств и наук немедленно начала тестировать ее звуковые характеристики; они сделали ее стандартом киноиндустрии в 1955 году. [15]
В 1954 году Эдгар Вильчур разработал принцип акустической подвески для конструкции громкоговорителей. Это позволило добиться лучшего басового отклика, чем ранее можно было получить от динамиков, установленных в больших корпусах. [16] Он и его партнер Генри Клосс основали компанию Acoustic Research для производства и продажи акустических систем, использующих этот принцип. [17] Впоследствии непрерывное развитие конструкции корпуса и материалов привело к значительным улучшениям слышимости. [18]
Наиболее заметными улучшениями на сегодняшний день в современных динамических драйверах и громкоговорителях, которые их используют, являются улучшения в материалах диффузоров, внедрение высокотемпературных клеев, улучшенных постоянных магнитных материалов, улучшенных методов измерения, автоматизированного проектирования и конечноэлементного анализа. На низких частотах теория электрических сетей параметров Тиле/Смолла использовалась для оптимизации синергии басового драйвера и корпуса с начала 1970-х годов. [19]
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. [20] 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 . [21] 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 . [22]Проектирование акустической системы включает субъективное восприятие тембра и качества звука, измерения и эксперименты. [23] [24] [25] Настройка конструкции для улучшения производительности выполняется с использованием комбинации магнитной, акустической, механической, электрической и материаловедения теории и отслеживается с помощью высокоточных измерений и наблюдений опытных слушателей. Некоторые из проблем, с которыми приходится сталкиваться разработчикам динамиков и драйверов, - это искажения, акустическое лепестковое распределение , фазовые эффекты, внеосевой отклик и артефакты кроссовера. Разработчики могут использовать безэховую камеру , чтобы гарантировать, что динамик может быть измерен независимо от эффектов помещения, или любой из нескольких электронных методов, которые в некоторой степени заменяют такие камеры. Некоторые разработчики избегают безэховых камер в пользу определенных стандартизированных установок помещения, предназначенных для имитации реальных условий прослушивания.
Отдельные электродинамические драйверы обеспечивают наилучшую производительность в ограниченном диапазоне частот. Несколько драйверов (например, сабвуферы, вуферы, среднечастотные драйверы и твитеры) обычно объединяются в полную акустическую систему для обеспечения производительности за пределами этого ограничения. Три наиболее часто используемые системы излучения звука — это драйверы конусного, купольного и рупорного типа.
Полнодиапазонный или широкополосный драйвер — это драйвер динамика, предназначенный для самостоятельного использования для воспроизведения аудиоканала без помощи других драйверов, и поэтому должен охватывать требуемый приложением диапазон звуковых частот. Эти драйверы небольшие, обычно от 3 до 8 дюймов (от 7,6 до 20,3 см) в диаметре, чтобы обеспечить приемлемую высокочастотную характеристику, и тщательно спроектированы для обеспечения низкого уровня искажений на низких частотах, хотя и с уменьшенным максимальным выходным уровнем. Полнодиапазонные драйверы встречаются, например, в системах оповещения, в телевизорах, небольших радиоприемниках, домофонах и некоторых компьютерных динамиках .
В акустических системах Hi-Fi использование широкополосных динамиков может избежать нежелательного взаимодействия между несколькими динамиками, вызванного несовпадающим расположением динамиков или проблемами кроссоверной сети, но также может ограничить частотную характеристику и выходные возможности (особенно на низких частотах). Акустические системы Hi-Fi, построенные с широкополосными динамиками, могут потребовать больших, сложных или дорогих корпусов для достижения оптимальной производительности.
_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 драйверах часто используется дополнительный конус, называемый whizzer : небольшой, легкий конус, прикрепленный к соединению между звуковой катушкой и основным конусом. Wizzer-конус расширяет высокочастотную характеристику драйвера и расширяет его высокочастотную направленность, которая в противном случае была бы значительно сужена из-за того, что материал внешнего диаметра конуса не успевает за центральной звуковой катушкой на более высоких частотах. Главный конус в конструкции whizzer изготавливается таким образом, чтобы больше изгибаться по внешнему диаметру, чем по центру. В результате главный конус обеспечивает низкие частоты, а конус whizzer обеспечивает большую часть высоких частот. Поскольку конус whizzer меньше основной диафрагмы, выходная дисперсия на высоких частотах улучшается по сравнению с эквивалентной одиночной более крупной диафрагмой.
Драйверы с ограниченным диапазоном, также используемые отдельно, обычно встречаются в компьютерах, игрушках и радиоприемниках с часами . Эти драйверы менее сложны и менее дороги, чем драйверы с широким диапазоном, и они могут быть серьезно урезаны, чтобы соответствовать очень маленьким монтажным позициям. В этих приложениях качество звука имеет низкий приоритет.
Сабвуфер — это низкочастотный динамик, используемый только для самой низкой части звукового спектра: обычно ниже 200 Гц для потребительских систем, [26] ниже 100 Гц для профессионального живого звука, [27] и ниже 80 Гц в системах, одобренных THX . [28] Поскольку предполагаемый диапазон частот ограничен, конструкция системы сабвуфера обычно проще во многих отношениях, чем для обычных громкоговорителей, часто состоящих из одного драйвера, заключенного в подходящий корпус. Поскольку звук в этом частотном диапазоне может легко огибать углы за счет дифракции , отверстие динамика не обязательно должно быть обращено к аудитории, и сабвуферы могут быть установлены в нижней части корпуса, обращенным к полу. Это облегчается ограничениями человеческого слуха на низких частотах; такие звуки не могут быть локализованы 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 для подсказок локализации.
Для точного воспроизведения очень низких басовых нот сабвуферные системы должны быть прочно сконструированы и должным образом закреплены, чтобы избежать нежелательных звуков от вибраций корпуса. В результате хорошие сабвуферы обычно довольно тяжелые. Многие сабвуферные системы включают в себя встроенные усилители мощности и электронные инфразвуковые фильтры с дополнительными элементами управления, относящимися к воспроизведению низких частот (например, ручка кроссовера и фазовый переключатель). Эти варианты известны как активные или активные сабвуферы. [29] Напротив, пассивные сабвуферы требуют внешнего усиления.
В типичных установках сабвуферы физически отделены от остальных корпусов динамиков. Из-за задержки распространения и позиционирования их выход может быть не в фазе с остальным звуком. Следовательно, усилитель мощности сабвуфера часто имеет регулировку задержки фазы, которая может использоваться для улучшения производительности системы в целом. Сабвуферы широко используются в системах звукоусиления больших концертов и средних по размеру площадок. Корпуса сабвуферов часто изготавливаются с портом фазоинвертора , конструктивная особенность которой, если она правильно спроектирована, улучшает производительность басов и повышает эффективность.
Низкочастотный динамик — это драйвер, воспроизводящий низкие частоты. Драйвер работает с характеристиками корпуса динамика для получения подходящих низких частот. Некоторые акустические системы используют низкочастотный динамик для самых низких частот, иногда настолько хорошо, что сабвуфер не нужен. Кроме того, некоторые громкоговорители используют низкочастотный динамик для обработки средних частот, исключая среднечастотный драйвер.
Среднечастотный динамик — это динамик громкоговорителя, который воспроизводит полосу частот, как правило, от 1 до 6 кГц, иначе называемую средними частотами (между вуфером и твитером). Диафрагмы среднечастотного динамика могут быть изготовлены из бумаги или композитных материалов и могут быть драйверами прямого излучения (скорее, как меньшие вуферы) или они могут быть компрессионными драйверами (скорее, как некоторые конструкции твитеров). Если среднечастотный динамик является прямым излучателем, он может быть установлен на передней перегородке корпуса громкоговорителя или, если это компрессионный драйвер, установлен в горловине рупора для дополнительного выходного уровня и управления диаграммой направленности.
Твитер — это высокочастотный драйвер, который воспроизводит самые высокие частоты в акустической системе. Основной проблемой в конструкции твитера является достижение широкого углового звукового покрытия (внеосевой отклик), поскольку высокочастотный звук имеет тенденцию покидать динамик в узких лучах. Мягкокупольные твитеры широко используются в домашних стереосистемах, а компрессионные драйверы с рупорной нагрузкой распространены в профессиональной звукоусилении. Ленточные твитеры приобрели популярность, поскольку выходная мощность некоторых конструкций была увеличена до уровней, полезных для профессионального звукоусиления, а их выходная диаграмма широка в горизонтальной плоскости, диаграмма, которая имеет удобные применения в концертном звуке. [30]
Коаксиальный драйвер — это динамик с двумя или более комбинированными концентрическими драйверами. Коаксиальные драйверы выпускаются компаниями Altec , Tannoy , Pioneer , KEF , SEAS, B&C Speakers, BMS, Cabasse и Genelec . [31]
Используемый в многодрайверных акустических системах , кроссовер представляет собой набор фильтров, которые разделяют входной сигнал на различные частотные диапазоны в соответствии с требованиями каждого драйвера. Таким образом, драйверы получают питание только в том диапазоне звуковых частот, для которого они были разработаны, тем самым уменьшая искажения в драйверах и помехи между ними. Кроссоверы могут быть пассивными или активными .
Пассивный кроссовер — это электронная схема, которая использует комбинацию одного или нескольких резисторов , индукторов и конденсаторов . Эти компоненты объединяются для формирования сети фильтров и чаще всего размещаются между усилителем мощности полного диапазона частот и драйверами громкоговорителей для разделения сигнала усилителя на необходимые полосы частот перед подачей на отдельные драйверы. Пассивные схемы кроссовера не нуждаются во внешнем питании, кроме самого аудиосигнала, но имеют некоторые недостатки: они могут потребовать более крупных индукторов и конденсаторов из-за требований к мощности. В отличие от активных кроссоверов, которые включают в себя встроенный усилитель, пассивные кроссоверы имеют присущее им затухание в полосе пропускания , что обычно приводит к снижению коэффициента затухания перед звуковой катушкой. [ необходима цитата ]
Активный кроссовер — это схема электронного фильтра, которая делит сигнал на отдельные полосы частот перед усилением мощности, поэтому для каждой полосы требуется по крайней мере один усилитель мощности. [ требуется ссылка ] Пассивная фильтрация также может использоваться таким образом перед усилением мощности, но это необычное решение, поскольку оно менее гибкое, чем активная фильтрация. Любая техника, которая использует фильтрацию кроссовера с последующим усилением, обычно называется би-ампингом, три-ампингом, четверным ампингом и т. д., в зависимости от минимального количества каналов усилителя. [32]
В некоторых конструкциях громкоговорителей используется комбинация пассивной и активной кроссоверной фильтрации, например, пассивный кроссовер между средне- и высокочастотными динамиками и активный кроссовер для низкочастотного динамика. [33] [34]
Пассивные кроссоверы обычно устанавливаются внутри корпусов динамиков и являются наиболее распространенным типом кроссоверов для домашнего и маломощного использования. В автомобильных аудиосистемах пассивные кроссоверы могут находиться в отдельном корпусе, необходимом для размещения размера используемых компонентов. Пассивные кроссоверы могут быть простыми для фильтрации низкого порядка или сложными для обеспечения крутых наклонов, таких как 18 или 24 дБ на октаву. Пассивные кроссоверы также могут быть разработаны для компенсации нежелательных характеристик резонансов драйвера, рупора или корпуса и могут быть сложны в реализации из-за взаимодействия компонентов. Пассивные кроссоверы, как и блоки драйверов, 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. [ необходима цитата ] Когда требуются высокие уровни выходного сигнала, активные кроссоверы могут быть предпочтительнее. Активные кроссоверы могут быть простыми схемами, которые имитируют реакцию пассивной сети, или могут быть более сложными, позволяя 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 частотными диапазонами, эквализацию, компрессию динамического диапазона и ограничение . [ необходима ссылка ]
Большинство акустических систем состоят из динамиков, установленных в корпусе или шкафу. Роль корпуса заключается в том, чтобы не допустить разрушительного взаимодействия звуковых волн, исходящих из задней части динамика, с волнами, исходящими спереди. Звуковые волны, исходящие из задней части, сдвинуты по фазе на 180° относительно тех, которые исходят спереди, поэтому без корпуса они обычно вызывают подавление, которое значительно ухудшает уровень и качество звука на низких частотах.
Простейшее крепление драйвера представляет собой плоскую панель ( перегородку ) с драйверами, установленными в отверстиях в ней. Однако при таком подходе звуковые частоты с длиной волны, большей, чем размеры перегородки, подавляются, поскольку противофазное излучение с задней части конуса интерферирует с излучением с передней стороны. С бесконечно большой панелью эта интерференция может быть полностью предотвращена. Достаточно большой герметичный ящик может приблизиться к такому поведению. [35] [36]
Поскольку панели бесконечных размеров невозможны, большинство корпусов функционируют, удерживая заднее излучение от движущейся диафрагмы. Герметичный корпус предотвращает передачу звука, излучаемого с задней стороны громкоговорителя, ограничивая звук в жесткой и герметичной коробке. Методы, используемые для уменьшения передачи звука через стенки корпуса, включают более толстые стенки корпуса, внутренние распорки и материал стен с потерями.
Однако жесткий корпус отражает звук внутри, который затем может передаваться обратно через диафрагму громкоговорителя, что снова приводит к ухудшению качества звука. Это можно уменьшить путем внутреннего поглощения с использованием поглощающих материалов, таких как стекловата , шерсть или синтетический ватин, внутри корпуса. Внутренняя форма корпуса также может быть спроектирована для уменьшения этого путем отражения звуков от диафрагмы громкоговорителя, где они затем могут быть поглощены.
Другие типы корпусов изменяют заднее звуковое излучение, чтобы оно могло конструктивно дополнять выход с передней части конуса. 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 драйверами максимально плавным, проектировщики систем попытались синхронизировать драйверы по времени, перемещая одно или несколько мест крепления драйверов вперед или назад так, чтобы акустический центр каждого драйвера находился в одной вертикальной плоскости. Это может также включать наклон драйвера назад, обеспечение отдельного крепления корпуса для каждого драйвера или использование электронных методов для достижения того же эффекта. Эти попытки привели к появлению некоторых необычных конструкций корпуса.
Схема крепления динамиков (включая корпуса) также может вызывать дифракцию, что приводит к пикам и провалам в частотной характеристике. Проблема обычно сильнее всего проявляется на более высоких частотах, где длины волн аналогичны или меньше размеров корпуса.
Рупорные громкоговорители являются старейшей формой акустической системы. Использование рупоров в качестве усилителей голоса датируется по крайней мере 17 веком, [37] а рупоры использовались в механических граммофонах еще в 1877 году. Рупорные громкоговорители используют волновод определенной формы перед или за динамиком для увеличения направленности громкоговорителя и преобразования небольшого диаметра, высокого давления на поверхности конуса динамика в большой диаметр, низкое давление в устье рупора. Это улучшает соответствие акустического-электро/механического импеданса между динамиком и окружающим воздухом, повышая эффективность и фокусируя звук на более узкой области.
Размер горла, устья, длина рупора, а также скорость расширения площади вдоль него должны быть тщательно подобраны, чтобы соответствовать драйверу, чтобы должным образом обеспечить эту преобразующую функцию в диапазоне частот. [a] Длина и площадь поперечного сечения устья, необходимые для создания басового или суббасового рупора, диктуют длину рупора во много футов. Сложенные рупоры могут уменьшить общий размер, но заставляют дизайнеров идти на компромиссы и принимать повышенную стоимость и конструктивные сложности. Некоторые конструкции рупоров не только складывают низкочастотный рупор, но и используют стены в углу комнаты в качестве расширения устья рупора. В конце 1940-х годов рупоры, устья которых занимали большую часть стены комнаты, были известны поклонникам hi-fi. Установки размером с комнату становились гораздо менее приемлемыми, когда требовалось два или более.
Динамик с рупорной нагрузкой может иметь чувствительность до 110 дБ при 2,83 В (1 Вт при 8 Ом) на расстоянии 1 м. Это стократное увеличение выходной мощности по сравнению с динамиком, рассчитанным на чувствительность 90 дБ, и бесценно в приложениях, где требуются высокие уровни звука или ограничена мощность усилителя.
Громкоговоритель с линией передачи — это конструкция корпуса громкоговорителя, которая использует акустическую линию передачи внутри корпуса, по сравнению с более простыми конструкциями на основе корпуса. Вместо того, чтобы отражаться в довольно простом демпфированном корпусе, звук с задней стороны басового динамика направляется в длинный (обычно сложенный) демпфированный путь внутри корпуса динамика, что обеспечивает больший контроль и эффективное использование энергии динамика.
Большинство домашних hi-fi громкоговорителей используют две точки подключения для подключения к источнику сигнала (например, к аудиоусилителю или ресиверу ). Для подключения проводов корпус громкоговорителя может иметь винтовые клеммы , пружинные зажимы или гнездо для монтажа на панели. Если провода для пары громкоговорителей не подключены с соблюдением правильной электрической полярности , [b] громкоговорители считаются не в фазе или, что более правильно, не в полярности . [38] [39] При идентичных сигналах движение в конусе громкоговорителя с неполярностью происходит в противоположном направлении по сравнению с другими. Это обычно приводит к тому, что монофонический материал в стереозаписи отменяется, понижается по уровню и его становится сложнее локализовать, все из-за разрушительной интерференции звуковых волн. Эффект отмены наиболее заметен на частотах, где громкоговорители разделены четвертью длины волны или меньше; низкие частоты страдают больше всего. Этот тип ошибки неправильного подключения не повреждает громкоговорители, но не является оптимальным для прослушивания. [40] [41]
В системах звукоусиления, PA-системах и корпусах динамиков инструментальных усилителей обычно используются кабели и некоторые типы гнезд или разъемов. В звуковых системах и кабинетах инструментальных динамиков низкой и средней ценовой категории часто используются гнезда 1/4" . В более дорогих и мощных звуковых системах и кабинетах инструментальных динамиков часто используются разъемы Speakon . Разъемы Speakon считаются более безопасными для усилителей высокой мощности, поскольку разъем сконструирован таким образом, что пользователи не могут прикасаться к разъемам.
Беспроводные динамики похожи на проводные активные динамики , но они получают аудиосигналы с помощью радиочастотных (РЧ) волн, а не по аудиокабелям. В корпус динамика встроен усилитель, поскольку одних только РЧ волн недостаточно для работы динамика. Беспроводным динамикам все равно нужно питание, поэтому требуется близлежащая розетка переменного тока или встроенные батареи. Исключается только провод для аудио.
Технические характеристики динамиков обычно включают в себя:
и по желанию:
Чтобы создать звук, громкоговоритель приводится в действие модулированным электрическим током (вырабатываемым усилителем), который проходит через катушку динамика , которая затем (через индуктивность ) создает магнитное поле вокруг катушки. Изменения электрического тока, проходящие через динамик, таким образом преобразуются в изменяющееся магнитное поле, взаимодействие которого с магнитным полем драйвера перемещает диафрагму динамика, что заставляет драйвер создавать движение воздуха, аналогичное исходному сигналу от усилителя.
Нагрузка, которую драйвер представляет для усилителя, состоит из сложного электрического импеданса — комбинации сопротивления и как емкостного , так и индуктивного сопротивления , которая объединяет свойства драйвера, его механическое движение, эффекты компонентов кроссовера (если таковые имеются на пути сигнала между усилителем и драйвером) и эффекты воздушной нагрузки на драйвер, измененные корпусом и его окружением. Большинство выходных спецификаций усилителей указаны при определенной мощности в идеальную резистивную нагрузку; однако громкоговоритель не имеет постоянного импеданса во всем своем диапазоне частот. Вместо этого звуковая катушка является индуктивной, драйвер имеет механические резонансы, корпус изменяет электрические и механические характеристики драйвера, а пассивный кроссовер между драйверами и усилителем вносит свои собственные изменения. Результатом является импеданс нагрузки, который сильно меняется с частотой, и обычно изменяющееся фазовое соотношение между напряжением и током, также изменяющееся с частотой. Некоторые усилители могут справляться с изменениями лучше, чем другие.
Примерами типичных измерений громкоговорителей являются: амплитудные и фазовые характеристики в зависимости от частоты; импульсная характеристика при одном или нескольких условиях (например, прямоугольные волны, синусоидальные всплески и т. д.); направленность в зависимости от частоты (например, горизонтально, вертикально, сферически и т. д.); гармонические и интермодуляционные искажения в зависимости от выходного уровня звукового давления (SPL) с использованием любого из нескольких тестовых сигналов; сохраненная энергия (т. е. звон) на различных частотах; импеданс в зависимости от частоты; и производительность слабого сигнала в зависимости от большого сигнала. Для выполнения большинства этих измерений требуется сложное и часто дорогостоящее оборудование. [ необходима цитата ] Уровень звукового давления (SPL), создаваемый громкоговорителем, измеряется в децибелах ( дБ spl ).
Эффективность громкоговорителя определяется как выходная мощность звука , деленная на входную электрическую мощность. Большинство громкоговорителей являются неэффективными преобразователями; только около 1% электрической энергии, посылаемой усилителем на типичный домашний громкоговоритель, преобразуется в акустическую энергию. Оставшаяся часть преобразуется в тепло, в основном в звуковой катушке и магнитном узле. Основной причиной этого является сложность достижения надлежащего согласования импеданса между акустическим сопротивлением приводного устройства и воздухом, в который он излучает. [c] Эффективность динамиков громкоговорителя также меняется в зависимости от частоты. Например, выходная мощность динамика сабвуфера уменьшается по мере уменьшения входной частоты из-за все более плохого согласования импеданса между воздухом и динамиком.
Рейтинги драйверов, основанные на SPL для данного входа, называются рейтингами чувствительности и теоретически аналогичны эффективности. Чувствительность обычно определяется как SPL в децибелах при электрическом входе 1 Вт, измеренном на расстоянии 1 метра, [d] часто на одной частоте. Используемое напряжение часто составляет 2,83 В RMS , что приводит к 1 Вт при номинальном сопротивлении динамика 8 Ом. Измерения, выполненные с этой ссылкой, указаны в дБ при 2,83 В на расстоянии 1 м. [ требуется ссылка ]
Выходное звуковое давление измеряется (или математически масштабируется, чтобы быть эквивалентным измерению, выполненному на) расстоянии одного метра от громкоговорителя и на оси (прямо перед ним), при условии, что громкоговоритель излучает в бесконечно большое пространство и установлен на бесконечной перегородке . Очевидно, что чувствительность не коррелирует точно с эффективностью, поскольку она также зависит от направленности тестируемого драйвера и акустической среды перед фактическим громкоговорителем. Например, рупор чирлидера производит больше звука в направлении, в котором он указывает, концентрируя звуковые волны от чирлидера в одном направлении, таким образом фокусируя их. Рупор также улучшает согласование импеданса между голосом и воздухом, что производит большую акустическую мощность для данной мощности динамика. В некоторых случаях улучшенное согласование импеданса (благодаря тщательной конструкции корпуса) позволяет динамику производить большую акустическую мощность.
Типичные домашние громкоговорители имеют чувствительность около 85–95 дБ для 1 Вт на 1 м — эффективность 0,5–4%. Громкоговорители звукоусиления и оповещения имеют чувствительность, возможно, от 95 до 102 дБ для 1 Вт на 1 м — эффективность 4–10%. Громкоговорители для рок-концертов, стадионов, морских оповещателей и т. д. обычно имеют более высокую чувствительность от 103 до 110 дБ для 1 Вт на 1 м — эффективность 10–20%. [ необходима цитата ]
Поскольку чувствительность и мощность являются в значительной степени независимыми свойствами, драйвер с более высокой максимальной мощностью не обязательно может работать на более громких уровнях, чем драйвер с более низкой мощностью. В следующем примере предположим (для простоты), что сравниваемые драйверы имеют одинаковое электрическое сопротивление, работают на одной и той же частоте в пределах соответствующих полос пропускания обоих драйверов, и что компрессия мощности и искажения незначительны. Динамик на 3 дБ более чувствительный, чем другой, производит вдвое большую звуковую мощность (на 3 дБ громче) при той же входной электрической мощности. Таким образом, драйвер мощностью 100 Вт (A), рассчитанный на 92 дБ для чувствительности 1 Вт на расстоянии 1 м, выдает вдвое большую акустическую мощность, чем драйвер мощностью 200 Вт (B), рассчитанный на 89 дБ для 1 Вт на расстоянии 1 м, когда оба работают с электрической мощностью 100 Вт. В этом примере при работе на 100 Вт динамик A производит тот же SPL или громкость , что и динамик B при входной мощности 200 Вт. Таким образом, увеличение чувствительности динамика на 3 дБ означает, что ему требуется половина мощности усилителя для достижения заданного уровня звукового давления. Это приводит к меньшему, менее сложному усилителю мощности — и часто к снижению общей стоимости системы.
Обычно невозможно объединить высокую эффективность (особенно на низких частотах) с компактным размером корпуса и адекватным низкочастотным откликом. При проектировании акустической системы можно, по большей части, выбрать только два из трех параметров. Так, например, если важны расширенные низкочастотные характеристики и небольшой размер корпуса, нужно принять низкую эффективность. Это эмпирическое правило иногда называют железным законом Хофмана (в честь JA Hofmann , H в KLH ). [45] [46]
Взаимодействие акустической системы с окружающей средой является сложным и в значительной степени находится вне контроля конструктора акустических систем. Большинство комнат для прослушивания представляют собой более или менее отражающую среду в зависимости от размера, формы, громкости и обстановки. Это означает, что звук, достигающий ушей слушателя, состоит не только из звука, непосредственно исходящего из акустической системы, но и из того же звука, задержанного путем перемещения к одной или нескольким поверхностям и от них (и измененного ими). Эти отраженные звуковые волны, когда добавляются к прямому звуку, вызывают подавление и добавление на различных частотах (например, из резонансных комнатных мод ), тем самым изменяя тембр и характер звука в ушах слушателя. Человеческий мозг чувствителен к небольшим изменениям отраженного звука, и это одна из причин, по которой акустическая система звучит по-разному в разных положениях прослушивания или в разных комнатах.
Значимым фактором в звучании акустической системы является количество поглощения и диффузии, присутствующих в окружающей среде. Хлопок в ладоши в типичной пустой комнате без штор или ковров производит энергичное, порхающее эхо из-за как отсутствия поглощения, так и реверберации (то есть повторяющихся эхо) от плоских отражающих стен, пола и потолка. Добавление мебели с твердой поверхностью, настенных ковров, полок и даже декора потолка из гипса в стиле барокко изменяет эхо, в первую очередь из-за диффузии, вызванной отражающими объектами с формами и поверхностями, имеющими размеры порядка звуковых длин волн. Это несколько разбивает простые отражения, которые в противном случае вызывались бы голыми плоскими поверхностями, и распространяет отраженную энергию падающей волны на больший угол при отражении.
В типичной прямоугольной комнате для прослушивания твердые параллельные поверхности стен, пола и потолка вызывают первичные акустические резонансные узлы в каждом из трех измерений: слева-справа, сверху-вниз и вперед-назад. [47] Кроме того, существуют более сложные резонансные моды, включающие три, четыре, пять и даже все шесть граничных поверхностей, объединяющихся для создания стоячих волн . Это называется реакцией на помехи на границе динамика (SBIR). [48] Низкие частоты возбуждают эти моды больше всего, поскольку длинные волны не сильно зависят от состава или размещения мебели. Расстояние между модами имеет решающее значение, особенно в небольших и средних помещениях, таких как студии звукозаписи, домашние кинотеатры и вещательные студии. 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 иметь большое влияние на воспринимаемый баланс частот. Это связано с тем, что стоячие волны легче всего услышать в этих местах и на более низких частотах, ниже частоты Шредера — обычно около 200–300 Гц, в зависимости от размера помещения. [ необходима цитата ]
Акустики, изучая излучение источников звука, разработали некоторые концепции, важные для понимания того, как воспринимаются громкоговорители. Простейшим возможным источником излучения является точечный источник, иногда называемый простым источником. Идеальный точечный источник — это бесконечно малая точка, излучающая звук. Возможно, проще представить себе крошечную пульсирующую сферу, равномерно увеличивающуюся и уменьшающуюся в диаметре, посылающую звуковые волны во всех направлениях одинаково, 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 же, как для одного источника, а зависит от расстояния и ориентации между источниками, положения относительно них, с которого слушатель слышит комбинацию, и частоты задействованного звука. Используя геометрию и исчисление, некоторые простые комбинации источников легко решаются; другие — нет.
Одна простая комбинация — это два простых источника, разделенных расстоянием и вибрирующих в противофазе, одна миниатюрная сфера расширяется, а другая сжимается. Пара известна как дублет или диполь, и излучение этой комбинации похоже на излучение очень маленького динамического громкоговорителя, работающего без перегородки. Направленность диполя имеет форму цифры 8 с максимальным выходом вдоль вектора, который соединяет два источника, и минимумами по бокам, когда точка наблюдения находится на равном расстоянии от двух источников, где сумма положительных и отрицательных волн компенсирует друг друга. Хотя большинство драйверов являются диполями, в зависимости от корпуса, к которому они прикреплены, они могут излучать как монополи, диполи (или биполи). Если установить на конечной перегородке, и этим противофазным волнам позволить взаимодействовать, в результате в частотной характеристике возникают дипольные пики и нули. Когда заднее излучение поглощается или захватывается коробкой, диафрагма становится монопольным излучателем. Биполярные динамики, изготовленные путем установки синфазных монополей (оба синхронно выдвигаются из корпуса или входят в него) на противоположных сторонах корпуса, представляют собой метод приближения к всенаправленным диаграммам излучения.
В реальной жизни отдельные драйверы представляют собой сложные трехмерные формы, такие как конусы и купола, и они размещаются на перегородке по разным причинам. Математическое выражение для направленности сложной формы, основанное на моделировании комбинаций точечных источников, обычно невозможно, но в дальнем поле направленность громкоговорителя с круглой диафрагмой близка к направленности плоского круглого поршня, поэтому ее можно использовать в качестве иллюстративного упрощения для обсуждения. В качестве простого примера задействованной математической физики рассмотрим следующее: формула для направленности в дальнем поле плоского круглого поршня в бесконечной перегородке имеет вид где , - давление на оси, - радиус поршня, - длина волны (т. е. ) - угол вне оси и - функция Бесселя первого рода.
Плоский источник излучает звук равномерно для длин волн низких частот, длиннее размеров плоского источника, и с увеличением частоты звук от такого источника фокусируется во все более узкий угол. Чем меньше драйвер, тем выше частота, на которой происходит это сужение направленности. Даже если диафрагма не идеально круглая, этот эффект происходит таким образом, что более крупные источники являются более направленными. Несколько конструкций громкоговорителей приближаются к этому поведению. Большинство из них являются электростатическими или планарно-магнитными конструкциями.
Различные производители используют различные схемы крепления драйверов для создания определенного типа звукового поля в пространстве, для которого они предназначены. Полученные диаграммы направленности могут быть предназначены для более точной имитации способа, которым звук производится реальными инструментами, или просто для создания контролируемого распределения энергии из входного сигнала (некоторые, использующие этот подход, называются мониторами , поскольку они полезны для проверки сигнала, только что записанного в студии). Примером первого является система угла комнаты с множеством небольших драйверов на поверхности сферы 1/8. Конструкция системы этого типа была запатентована и произведена в коммерческих целях профессором Амаром Бозе — 2201. Более поздние модели Bose намеренно подчеркивали создание как прямого, так и отраженного звука самим громкоговорителем, независимо от его окружения. Конструкции являются спорными в кругах высокой точности , но оказались коммерчески успешными. Конструкции нескольких других производителей следуют аналогичным принципам.
Направленность является важным вопросом, поскольку она влияет на частотный баланс звука, который слышит слушатель, а также на взаимодействие акустической системы с комнатой и ее содержимым. Очень направленный (иногда называемый «лучистым») динамик (т. е. на оси, перпендикулярной лицевой стороне динамика) может привести к реверберационному полю с недостатком высоких частот, создавая впечатление, что динамик испытывает недостаток в высоких частотах, даже если он хорошо измеряет на оси (например, ровный по всему диапазону частот). Динамики с очень широкой или быстро увеличивающейся направленностью на высоких частотах могут создавать впечатление, что высоких частот слишком много (если слушатель находится на оси) или слишком мало (если слушатель находится вне оси). Это одна из причин, по которой измерение частотной характеристики на оси не является полной характеристикой звука данного громкоговорителя.
Хотя динамические конусные динамики остаются наиболее популярным выбором, существует множество других технологий динамиков. [1] : 705–714
Первоначальная конструкция громкоговорителя представляла собой подвижный сердечник. В отличие от более новой динамической конструкции (с подвижной катушкой), динамик с подвижным сердечником использует неподвижную катушку для вибрации намагниченного куска металла (называемого железом, язычком или арматурой). Металл либо прикреплен к диафрагме, либо является самой диафрагмой. Эта конструкция изначально появилась в раннем телефоне.
Движущиеся железные драйверы неэффективны и могут производить только небольшую полосу звука. Для увеличения силы им требуются большие магниты и катушки. [50]
Драйверы с уравновешенным якорем (тип подвижного железного драйвера) используют якорь, который движется как качели или трамплин. Поскольку они не затухают, они очень эффективны, но они также производят сильные резонансы. Они все еще используются сегодня для высококачественных наушников и слуховых аппаратов, где важны небольшие размеры и высокая эффективность. [51]
Пьезоэлектрические динамики часто используются в качестве пищалок в часах и других электронных устройствах, а иногда используются в качестве твитеров в менее дорогих акустических системах, таких как компьютерные динамики и портативные радиоприемники. Пьезоэлектрические динамики имеют несколько преимуществ по сравнению с обычными громкоговорителями: они устойчивы к перегрузкам, которые обычно разрушают большинство высокочастотных драйверов, и их можно использовать без кроссовера из-за их электрических свойств. Есть и недостатки: некоторые усилители могут колебаться при управлении емкостными нагрузками, такими как большинство пьезоэлектриков, что приводит к искажению или повреждению усилителя. Кроме того, их частотная характеристика, в большинстве случаев, хуже, чем у других технологий. Вот почему они, как правило, используются в одночастотных (пищалках) или некритических приложениях.
Пьезоэлектрические динамики могут иметь расширенный высокочастотный выход, и это полезно в некоторых специальных обстоятельствах; например, в гидролокационных приложениях, в которых пьезоэлектрические варианты используются как в качестве выходных устройств (генерирующих подводный звук), так и в качестве входных устройств (действующих как чувствительные компоненты подводных микрофонов ). Они имеют преимущества в этих приложениях, не последним из которых является простая и твердотельная конструкция, которая лучше противостоит морской воде, чем ленточные или конусные устройства.
В 2013 году компания Kyocera представила пьезоэлектрические ультратонкие среднеразмерные пленочные динамики толщиной всего 1 миллиметр и весом 7 граммов для своих 55-дюймовых OLED- телевизоров, и они надеются, что динамики также будут использоваться в ПК и планшетах. Помимо среднего размера, существуют также большие и маленькие размеры, которые могут воспроизводить относительно одинаковое качество звука и громкость в пределах 180 градусов. Высокочувствительный материал динамика обеспечивает лучшую четкость, чем традиционные динамики телевизора. [52]
Вместо звуковой катушки, приводящей в движение конус динамика, магнитостатический динамик использует массив металлических полос, прикрепленных к большой пленочной мембране. Магнитное поле, создаваемое сигнальным током, протекающим через полосы, взаимодействует с полем постоянных стержневых магнитов, установленных за ними. Создаваемая сила перемещает мембрану и, следовательно, воздух перед ней. Обычно такие конструкции менее эффективны, чем обычные динамики с подвижной катушкой.
Магнитострикционные преобразователи, основанные на магнитострикции , в основном использовались в качестве ультразвуковых излучателей звуковых волн, но их использование распространилось также на аудиосистемы. Магнитострикционные динамики имеют некоторые особые преимущества: они могут обеспечивать большую силу (с меньшими отклонениями), чем другие технологии; низкий ход позволяет избежать искажений от большого хода, как в других конструкциях; намагничивающая катушка неподвижна и, следовательно, легче охлаждается; они прочны, поскольку не требуются деликатные подвески и звуковые катушки. Магнитострикционные модули динамиков были произведены Fostex [53] [54] [55] и FeONIC [56] [57] [58] [59], а также были произведены сабвуферные динамики. [60]
Электростатические громкоговорители используют высоковольтное электрическое поле (а не магнитное поле) для приведения в действие тонкой статически заряженной мембраны. Поскольку они приводятся в действие по всей поверхности мембраны, а не от небольшой звуковой катушки, они обычно обеспечивают более линейное и менее искаженное движение, чем динамические драйверы. Они также имеют относительно узкую диаграмму направленности, что может обеспечить точное позиционирование звукового поля. Однако их оптимальная зона прослушивания мала, и они не являются очень эффективными громкоговорителями. Их недостаток заключается в том, что ход диафрагмы сильно ограничен из-за практических ограничений конструкции — чем дальше расположены статоры, тем выше должно быть напряжение для достижения приемлемой эффективности. Это увеличивает тенденцию к образованию электрических дуг, а также увеличивает притяжение динамиком частиц пыли. Возникновение дуги остается потенциальной проблемой современных технологий, особенно когда панели позволяют собирать пыль или грязь и приводятся в действие высокими уровнями сигнала.
Электростатика по своей сути является дипольным излучателем и из-за тонкой гибкой мембраны менее подходит для использования в корпусах для снижения подавления низких частот, как в случае с обычными конусными драйверами. Из-за этого и из-за низкой амплитуды, полнодиапазонные электростатические громкоговорители по своей природе большие, и бас спадает 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 приводится в действие повышающим трансформатором, который умножает колебания напряжения, производимые усилителем мощности. Этот трансформатор также умножает емкостную нагрузку, присущую электростатическим преобразователям, что означает, что эффективное сопротивление, представляемое усилителям мощности, сильно варьируется в зависимости от частоты. Динамик, номинал которого составляет 8 Ом, может фактически представлять нагрузку в 1 Ом на более высоких частотах, что является сложной задачей для некоторых конструкций усилителей.
Ленточный динамик состоит из тонкой металлической ленты, подвешенной в магнитном поле. Электрический сигнал подается на ленту, которая движется вместе с ней, создавая звук. Преимущество ленточного драйвера в том, что лента имеет очень маленькую массу ; таким образом, она может очень быстро ускоряться, обеспечивая очень хорошую высокочастотную характеристику. Ленточные громкоговорители часто очень хрупкие. Большинство ленточных твитеров излучают звук в дипольной диаграмме. Некоторые имеют подложки, которые ограничивают дипольную диаграмму излучения. Выше и ниже концов более или менее прямоугольной ленты слышен меньший выходной сигнал из-за фазовой компенсации, но точная величина направленности зависит от длины ленты. Ленточные конструкции обычно требуют исключительно мощных магнитов, что делает их производство дорогим. Ленты имеют очень низкое сопротивление, которое большинство усилителей не могут управлять напрямую. В результате для увеличения тока через ленту обычно используется понижающий трансформатор. Усилитель видит нагрузку, которая равна сопротивлению ленты, умноженному на квадрат коэффициента трансформации трансформатора. Трансформатор должен быть тщательно спроектирован, чтобы его частотная характеристика и паразитные потери не ухудшали звук, еще больше увеличивая стоимость и сложность по сравнению с традиционными конструкциями.
Планарные магнитные динамики (имеющие напечатанные или встроенные проводники на плоской диафрагме) иногда описываются как ленты, но на самом деле это не ленточные динамики. Термин «планарный» обычно зарезервирован для динамиков с примерно прямоугольными плоскими поверхностями, которые излучают биполярно (т. е. спереди и сзади). Планарные магнитные динамики состоят из гибкой мембраны с напечатанной или смонтированной на ней звуковой катушкой. Ток, протекающий через катушку, взаимодействует с магнитным полем тщательно размещенных магнитов по обе стороны диафрагмы, заставляя мембрану вибрировать более или менее равномерно и без особых изгибов или складок. Движущая сила охватывает большой процент поверхности мембраны и уменьшает проблемы резонанса, присущие плоским диафрагмам с катушечным приводом.
Преобразователи изгибной волны используют диафрагму, которая намеренно гибкая. Жесткость материала увеличивается от центра к внешней стороне. Короткие длины волн излучаются в основном из внутренней области, в то время как более длинные волны достигают края динамика. Чтобы предотвратить отражение снаружи обратно в центр, длинные волны поглощаются окружающим демпфером. Такие преобразователи могут охватывать широкий диапазон частот (от 80 Гц до 35 000 Гц) и были продвинуты как близкие к идеальному точечному источнику звука. [61] Этот необычный подход используется лишь очень немногими производителями в очень разных компоновках.
Громкоговорители Ohm Walsh используют уникальный драйвер, разработанный Линкольном Уолшем , который был инженером-разработчиком радаров во время Второй мировой войны. Он заинтересовался разработкой аудиооборудования, и его последним проектом стал уникальный односторонний динамик с одним драйвером. Конус был направлен вниз в герметичный воздухонепроницаемый корпус. Вместо того, чтобы двигаться вперед и назад, как это делают обычные динамики, конус колебался и создавал звук способом, известным в радиоэлектронике как «линия передачи». Новый динамик создавал цилиндрическое звуковое поле. Линкольн Уолш умер до того, как его динамик был представлен публике. С тех пор фирма Ohm Acoustics выпустила несколько моделей громкоговорителей с использованием конструкции драйвера Уолша. German Physiks, фирма по производству аудиооборудования в Германии, также производит динамики с использованием этого подхода.
Немецкая фирма Manger спроектировала и изготовила драйвер изгибной волны, который на первый взгляд кажется обычным. На самом деле, круглая панель, прикрепленная к звуковой катушке, изгибается тщательно контролируемым образом, чтобы производить полнодиапазонный звук. [62] Йозеф В. Мангер был награжден медалью Рудольфа Дизеля за выдающиеся разработки и изобретения Немецким институтом изобретений.
Было много попыток уменьшить размер акустических систем или, в качестве альтернативы, сделать их менее заметными. Одной из таких попыток была разработка катушек преобразователя возбудителя , установленных на плоских панелях, чтобы действовать как источники звука, наиболее точно называемые драйверами возбудителя/панели. [63] Затем их можно сделать нейтрального цвета и повесить на стены, где они будут менее заметны, чем многие динамики, или можно намеренно покрасить узорами, в этом случае они могут функционировать декоративно. Есть две связанные проблемы с техникой плоских панелей: во-первых, плоская панель обязательно более гибкая, чем форма конуса из того же материала, и, следовательно, движется как единое целое еще меньше, и, во-вторых, резонансы в панели трудно контролировать, что приводит к значительным искажениям. Некоторый прогресс был достигнут с использованием таких легких, жестких материалов, как пенополистирол , и в последние годы было выпущено несколько систем с плоскими панелями. [64]
Оскар Хайль изобрел датчик движения воздуха в 1960-х годах. В этом подходе гофрированная диафрагма устанавливается в магнитном поле и вынуждена закрываться и открываться под управлением музыкального сигнала. Воздух вытесняется между складками в соответствии с наложенным сигналом, генерируя звук. Драйверы менее хрупкие, чем ленты, и значительно более эффективны (и способны производить более высокие абсолютные уровни выходного сигнала), чем ленточные, электростатические или планарные магнитные твитеры. ESS, производитель из Калифорнии, лицензировал конструкцию, нанял Хайля и произвел ряд акустических систем с использованием его твитеров в 1970-х и 1980-х годах. Lafayette Radio , крупная американская сеть розничных магазинов, также некоторое время продавала акустические системы с использованием таких твитеров. Существует несколько производителей этих драйверов (по крайней мере два в Германии — один из которых производит ряд высококачественных профессиональных динамиков с использованием твитеров и среднечастотных драйверов на основе этой технологии), и драйверы все чаще используются в профессиональном аудио. Martin Logan производит несколько динамиков AMT в США, а GoldenEar Technologies включает их во всю свою линейку акустических систем.
В 2013 году исследовательская группа представила прозрачный динамик с ионной проводимостью, который имеет два слоя прозрачного проводящего геля и слой прозрачной резины между ними, чтобы высокое напряжение и высокая активация работали для воспроизведения хорошего качества звука. Динамик подходит для робототехники, мобильных вычислений и адаптивной оптики. [65]
Цифровые динамики были предметом экспериментов, проведенных Bell Labs еще в 1920-х годах. [66] Конструкция проста; каждый бит управляет драйвером, который либо полностью «включен», либо «выключен». Проблемы с этой конструкцией заставили производителей отказаться от нее как от непрактичной на данный момент. Во-первых, для разумного количества бит (требуемого для адекватного качества воспроизведения звука ) физический размер акустической системы становится очень большим. Во-вторых, из-за присущих проблем аналого-цифрового преобразования эффект наложения неизбежен, так что выходной аудиосигнал отражается с равной амплитудой в частотной области, по другую сторону предела Найквиста (половина частоты дискретизации), вызывая неприемлемо высокий уровень ультразвука , сопровождающего желаемый выходной сигнал. Не было найдено ни одной работоспособной схемы, которая могла бы адекватно справиться с этим.
Плазменные дуговые громкоговорители используют электрическую плазму в качестве излучающего элемента. Поскольку плазма имеет минимальную массу, но заряжена и, следовательно, может управляться электрическим полем , результатом является очень линейный выход на частотах, намного превышающих слышимый диапазон. Проблемы обслуживания и надежности этого подхода, как правило, делают его непригодным для массового использования на рынке. В 1978 году Алан Э. Хилл из Лаборатории вооружений ВВС в Альбукерке, штат Нью-Мексико, спроектировал Plasmatronics Hill Type I, твитер, плазма которого генерировалась из газообразного гелия . [67] Это позволило избежать озона и NOx [68], образующихся при радиочастотном разложении воздуха в более раннем поколении плазменных твитеров, изготовленных пионерской корпорацией DuKane, которая производила Ionovac (продаваемый в Великобритании как Ionofane) в 1950-х годах. [69]
Менее затратной вариацией на эту тему является использование пламени для водителя, поскольку пламя содержит ионизированные (электрически заряженные) газы. [70]
В 2008 году исследователи из Университета Цинхуа продемонстрировали термоакустический громкоговоритель (или термофон ) из тонкой пленки углеродных нанотрубок , [71] рабочий механизм которого представляет собой термоакустический эффект. Электрические токи звуковой частоты используются для периодического нагрева УНТ и, таким образом, приводят к генерации звука в окружающем воздухе. Тонкопленочный громкоговоритель УНТ прозрачен, растягивается и гибок. В 2013 году исследователи из Университета Цинхуа также представили термоакустический наушник из тонкой пряжи углеродных нанотрубок и термоакустическое поверхностно-монтируемое устройство. [72] Оба они являются полностью интегрированными устройствами и совместимы с полупроводниковой технологией на основе Si.
Роторный вуфер по сути является вентилятором с лопастями, которые постоянно меняют свой шаг, что позволяет им легко толкать воздух вперед и назад. Роторные вуферы способны эффективно воспроизводить инфразвуковые частоты, которые трудно или невозможно достичь на традиционном динамике с диафрагмой. Их часто используют в кинотеатрах для воссоздания грохочущих басовых эффектов, таких как взрывы. [73] [74]
Ключевым отличием в конструкции Райса и Келлогга была настройка механических параметров таким образом, чтобы основной резонанс движущейся системы происходил на более низкой частоте, чем та, на которой сопротивление излучения конуса становилось однородным. В этом диапазоне движение конуса контролировалось массой, и конус смотрел на возрастающее сопротивление излучения. Это фактически обеспечивало значительную частотную область плоской характеристики мощности для конструкции.
{{cite magazine}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ) [ отсутствует заголовок ]{{cite magazine}}: Cite журнал требует |magazine=( помощь )часто на словах признаем тот факт, что аудио позволяет тем, кто им пользуется, заниматься как искусством, так и наукой.
акустическая система имеет диаметр 95 мм и высоту 90 мм. Она оснащена приводом, использующим магнитостриктор, который расширяется и сжимается в соответствии с изменениями магнитного поля. Привод преобразует входной звук в вибрацию и передает его на поверхность стола, таким образом воспроизводя звук.
магнитострикционный динамик, демонстрирующий хорошие акустические характеристики при использовании на горизонтальной поверхности.
отличается от традиционной технологии динамиков, поскольку в качестве драйвера он использует очень мощный магнитострикционный интеллектуальный материал вместо подвижной катушки. Материал был изначально разработан военными США для гидролокаторов и теперь с него сняты ограничения для коммерческого использования.
