Низкочастотный динамик или басовый динамик — технический термин для динамика громкоговорителя , предназначенного для воспроизведения низкочастотных звуков, обычно от 20 Гц до нескольких сотен Гц. Название происходит от звукоподражательного английского слова, обозначающего глубокий лай собаки, « woof » [1] (в отличие от твитера , названия, используемого для громкоговорителей, предназначенных для воспроизведения высокочастотных звуков, происходящих от пронзительных криков птиц, « tweets »). Наиболее распространенной конструкцией для низкочастотного динамика является электродинамический драйвер, который обычно использует жесткий бумажный конус , приводимый в действие звуковой катушкой, окруженной магнитным полем .
Звуковая катушка прикреплена клеем к задней части диффузора громкоговорителя. Звуковая катушка и магнит образуют линейный электродвигатель . Когда ток протекает через звуковую катушку, катушка движется относительно рамы в соответствии с правилом левой руки Флеминга для двигателей , заставляя катушку толкать или тянуть диффузор драйвера поршневым образом. Результирующее движение диффузора создает звуковые волны , когда он движется внутрь и наружу.
При обычных уровнях звукового давления (SPL) большинство людей могут слышать до 20 Гц. [2] Низкочастотные динамики обычно используются для покрытия самых низких октав частотного диапазона громкоговорителя. В двухполосных акустических системах динамики, обрабатывающие низкие частоты, также обязаны покрывать значительную часть среднего диапазона, часто до 800–1000 Гц; такие динамики обычно называют среднечастотными динамиками . С 1990-х годов тип низкочастотного динамика, который предназначен только для очень низких частот, сабвуфер , стал широко использоваться в системах домашнего кинотеатра и системах PA для усиления басового отклика; сабвуферы обычно обрабатывают самые низкие две или три октавы (то есть от 20 до 80 или 120 Гц).
Хорошая конструкция сабвуфера требует эффективного преобразования сигнала усилителя низкой частоты в механическое движение воздуха с высокой точностью и приемлемой эффективностью, и одновременно усложняется необходимостью использования корпуса громкоговорителя для соединения движения конуса с воздухом. Если все сделано правильно, многие другие проблемы конструкции сабвуфера (например, требования к линейному ходу) уменьшаются.
В большинстве случаев вуфер и его корпус должны быть спроектированы для совместной работы. Обычно корпус проектируется в соответствии с характеристиками используемого динамика или динамиков. Размер корпуса зависит от самых длинных волн (самых низких частот), которые должны быть воспроизведены, а корпус вуфера намного больше, чем требуется для средних и высоких частот .
Сеть кроссовера , пассивная или активная, фильтрует полосу частот, с которой работают сабвуфер и другие динамики. Обычно кроссовер и акустическая система, включая сабвуфер, должны преобразовывать электрический сигнал, подаваемый усилителем, в акустический сигнал идентичной формы волны без другого взаимодействия между усилителем и динамиками, хотя иногда усилитель и динамики проектируются вместе, причем динамики обеспечивают отрицательную обратную связь, корректирующую искажения , для усилителя.
Существует множество проблем в проектировании и производстве сабвуферов. Большинство из них связаны с управлением движением конуса, чтобы электрический сигнал на звуковой катушке сабвуфера точно воспроизводился звуковыми волнами, создаваемыми движением конуса. Проблемы включают в себя чистое демпфирование конуса без слышимых искажений, чтобы он не продолжал двигаться, вызывая звон , когда мгновенный входной сигнал падает до нуля каждый цикл, и управление высокими отклонениями (обычно необходимыми для воспроизведения громких звуков) с низким искажением. Существуют также проблемы с представлением усилителю электрического импеданса , который не слишком далек от постоянного на всех частотах.
Ранняя версия широко используемой в настоящее время конструкции фазоинверторного корпуса была запатентована Альбертом Л. Тюрасом из Bell Laboratories в 1932 году. [3]
В 1965 году компания Sennheiser Electronics представила звуковую систему Philharmonic, которая использовала электронику для преодоления некоторых проблем, с которыми сталкиваются обычные подсистемы сабвуферов. Они добавили датчик движения к сабвуферу и использовали сигнал, соответствующий его фактическому движению, для обратной связи в качестве управляющего входа для специально разработанного усилителя. Если все сделать аккуратно, это может значительно улучшить производительность (как в «плотности», так и в расширении низкочастотной производительности) за счет гибкости (усилитель и динамик связаны друг с другом на постоянной основе) и стоимости. В США инженер нефтяной промышленности Л. В. Эрат представил линейку высококачественных динамиков примерно того же типа.
Поскольку стоимость электроники снизилась, стало обычным иметь оснащенные датчиками вуферы в недорогих «музыкальных системах», бумбоксах или даже автомобильных аудиосистемах. Обычно это делается в попытке получить лучшую производительность от недорогих или малогабаритных динамиков в легких или плохо спроектированных корпусах. Этот подход представляет трудности, поскольку не все искажения могут быть устранены с помощью сервотехники , а плохо спроектированный корпус может свести на нет преимущества любой попытки электронной коррекции.
Поскольку характеристики громкоговорителя можно измерить и в значительной степени предсказать, можно разработать специальную схему, которая в некоторой степени компенсирует недостатки акустической системы.
Методы эквализации используются в большинстве приложений для публичных выступлений 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 технологии, в частности цифровая обработка сигнала (DSP), делают возможным кроссовер с более высокой точностью. Используя конечную импульсную характеристику (FIR) и другие цифровые технологии, кроссоверы для двух- или трехусилительной системы могут быть выполнены с точностью, недостижимой с аналоговыми фильтрами, как пассивными, так и активными. Кроме того, многие особенности драйвера (вплоть до индивидуальных отклонений) могут быть исправлены одновременно, как в последних разработках Кляйна и Хаммеля. Этот подход сложен и, таким образом, вряд ли будет использоваться в более дешевом оборудовании.
Все материалы диффузоров имеют свои преимущества и недостатки. Три главных свойства, которые ищут дизайнеры в диффузорах, — это малый вес, жесткость и отсутствие окраски (из-за отсутствия звона ). Экзотические материалы, такие как кевлар и магний, легкие и жесткие, но могут иметь проблемы со звоном в зависимости от их изготовления и конструкции. Такие материалы, как бумага (включая бумажные диффузоры с покрытием) и различные полимеры , как правило, звенят меньше, чем металлические диафрагмы, но могут быть тяжелее и не такими жесткими. Были хорошие и плохие вуферы, изготовленные из каждого типа материала диффузора. Почти каждый вид материала использовался для диффузоров, от стекловолокна, бамбукового волокна до расширенных алюминиевых сотовых сэндвичей и пластиковых диффузоров с наполнителем из слюды .
Рама, или корзина, представляет собой конструкцию, удерживающую конус, звуковую катушку и магнит в правильном положении. Поскольку зазор звуковой катушки довольно узкий (зазоры обычно составляют менее тысячных долей дюйма), жесткость важна для предотвращения трения звуковой катушки о структуру магнита в зазоре, а также для избежания посторонних движений. Существует два основных типа металлических рам: штампованные и литые. Штампованные корзины (обычно из стали) являются более дешевым подходом. Недостатком этого типа рамы является то, что корзина может прогибаться, если динамик работает на высокой громкости, сопротивление изгибу есть только в определенных направлениях. Литые корзины стоят дороже, но обычно более жесткие во всех направлениях, имеют лучшее демпфирование (уменьшая собственный резонанс), могут иметь более сложные формы и поэтому обычно предпочтительны для более качественных динамиков.
Важной характеристикой сабвуфера является его номинальная мощность, количество мощности, которое сабвуфер может выдержать без повреждения. Номинальную электрическую мощность нелегко охарактеризовать, и многие производители приводят пиковые значения, достижимые только в течение очень коротких моментов без повреждения. Номинальные значения мощности сабвуфера становятся важными, когда динамик доводится до крайностей: приложения, требующие высокой выходной мощности, условия перегрузки усилителя, необычные сигналы (т. е. немузыкальные), очень низкие частоты, на которых корпус обеспечивает небольшую или нулевую акустическую нагрузку (и поэтому будет максимальный ход диффузора), или отказ усилителя. В ситуациях с высокой громкостью звуковая катушка сабвуфера нагревается, увеличивает свое сопротивление, вызывая «компрессию мощности», состояние, при котором уровень выходной звуковой мощности снижается после продолжительной высокой активности 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, вызывая обрыв цепи и неработающий сабвуфер; необходимый уровень будет зависеть от характеристик драйвера. В обычных условиях прослушивания музыки номинальная электрическая мощность низкочастотных динамиков, как правило, не имеет значения; она остается важной для высокочастотных динамиков.
Существует три типа мощности управления в динамиках громкоговорителей, включая вуферы: тепловая (тепловая), электрическая (оба рассмотрены выше) и механическая. Предел механической мощности достигается, когда отклонение конуса достигает своего максимального предела. Пределы тепловой мощности могут быть достигнуты, когда на вуфер слишком долго подается довольно высокая мощность, даже если механические пределы не превышаются в любое время. Большая часть энергии, подаваемой на звуковую катушку, преобразуется в тепло, а не в звук; все тепло в конечном итоге передается на полюсный наконечник, остальную часть магнитной структуры и раму. Из структуры вуфера тепло в конечном итоге рассеивается в окружающий воздух. Некоторые динамики включают в себя средства для лучшего охлаждения (например, вентилируемые полюсные наконечники магнита, специальные теплопроводящие структуры) для снижения повышенной температуры катушки/магнита/рамы во время работы, особенно в условиях высокого уровня мощности. Если на звуковую катушку подается слишком много мощности по сравнению с ее способностью рассеивать тепло, она в конечном итоге превысит максимальную безопасную температуру. Клеи могут расплавиться, каркас звуковой катушки может расплавиться или деформироваться, или изоляция, разделяющая обмотки звуковой катушки , может выйти из строя. Каждое из этих событий может повредить сабвуфер, возможно, до такой степени, что он станет непригодным к использованию.
Низкочастотные динамики, предназначенные для систем оповещения (PA) и инструментальных усилителей , по конструкции похожи на низкочастотные динамики домашнего аудио, за исключением того, что они обычно спроектированы более прочными. Обычно различия в конструкции включают: корпуса, предназначенные для многократной транспортировки и обработки, более крупные конусы низкочастотных динамиков, позволяющие обеспечить более высокие уровни звукового давления, более прочные звуковые катушки, выдерживающие более высокую мощность, и более высокую жесткость подвески. Как правило, можно ожидать, что домашний низкочастотный динамик, используемый в приложении PA/инструмента, выйдет из строя быстрее, чем низкочастотный динамик PA/инструмента. С другой стороны, низкочастотный динамик PA/инструмента в приложении домашнего аудио не будет иметь того же качества работы, особенно на низкой громкости. Низкочастотный динамик PA не будет воспроизводить ту же слышимую высокую точность, которая является целью высококачественного домашнего аудио из-за этих различий. [ необходима цитата ]
НЧ-динамики систем PA обычно обладают высокой эффективностью и высокой мощностью. Компромиссом за высокую эффективность при разумной стоимости обычно является относительно низкая способность к перемещению (т. е. невозможность двигаться «вперед и назад» так далеко, как многие домашние НЧ-динамики), поскольку они предназначены для рупорных или больших фазоинверторных корпусов. Они также обычно плохо подходят для расширенного низкочастотного отклика, поскольку последняя октава низкочастотного отклика значительно увеличивает размер и стоимость, и становится все более неэкономичным пытаться достичь высоких уровней, как в PA-приложении. Домашний стереодинамик, поскольку он используется на относительно низкой громкости, может справиться с очень низкими частотами. Из-за этого большинство НЧ-динамиков PA не очень подходят для использования в высококачественных домашних приложениях с высокой точностью воспроизведения, и наоборот.
При обычных уровнях звукового давления [2] большинство людей могут слышать до 20 Гц. Чтобы точно воспроизвести самые низкие тона, динамик или группа динамиков должны перемещать достаточно большой объем воздуха — задача, которая становится сложнее на более низких частотах. Чем больше комната, тем больше воздуха движение динамика должно будет вытеснить, чтобы произвести необходимую звуковую мощность на низких частотах.
