Акустические системы: типы динамиков (часть 3)
В прошлый раз мы разобрались, по крайней мере, в общих чертах, в конструкции динамика. Основные ее элементы — общие для всех типов динамиков, но главное, как всегда, кроется в различиях. О них и стоит рассказать подробнее.
Широкополосник
Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим слухом, как уже говорилось, находится в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Логичнее всего было бы иметь такой динамик, который способен воспроизвести его полностью. И такие динамики есть. Они называются широкополосными.
Вопрос в том, насколько качественно они способны работать в крайних значениях частот этого диапазона. Дело в том, что для эффективного воспроизведения низких частот диффузор классического динамика должен иметь достаточно большие размеры. Например, для частоты 40 Гц его диаметр должен быть около 30 см. Это достаточно просто реализовать.
Широкополосный динамик ScanSpeak 10F/4424G00
Но на высоких частотах такой диффузор попросту не сможет «успевать» передавать колебания всей своей поверхностью. Именно поэтому чаще всего широкополосные динамики являются результатом компромисса.
Для качественного воспроизведения верхней части частотного диапазона в центр диффузора широкополосника зачастую вклеивается дополнительный высокочастотный диффузор — «рупорок» (конус-визер, «дудка»), который способен воспроизводить «быстрые» колебания в то время, как основной, большой диффузор работает гораздо медленнее.
Применяемые в аудиофильских системах широкополосники — предмет серьезных инженерных разработок, граничащих с искусством. Здесь используются материалы с максимально возможными параметрами, ноу-хау, позволяющие все-таки получить полнодиапазонный драйвер.
Широкополосный динамик Lii Audio 2PCS Fast-10
Наиболее проблемным для широкополосного динамика является воспроизведение крайних частот слышимого диапазона. Если широкополосник способен работать в диапазоне 60–16000 Гц с неравномерностью ± 10 дБ — это уже неплохой результат.
При этом в связи с простотой конструкции и отсутствием фильтров (кроссоверов) акустическая система с широкополосником способна демонстрировать высокую чувствительность — от 90–92 дБ и выше. Это делает колонки с широкополосными динамиками особо востребованными среди любителей ламповых усилителей, имеющих, как правило, ограниченную мощность.
В связи с этим голосовые катушки таких широкополосников обладают повышенным сопротивлением. Общепринятые значения для всех остальных динамиков, предназначенных для установки в акустические системы — от 2 до 8 Ом.
Кроме того, именно широкополосный динамик максимально приближен по своим параметрам к точечному источнику звука — идеальному акустическому объекту с точки зрения его локализации. Направление на источник в таком случае определяется слушателем максимально точно. Такой излучатель позволяет создать самую точную стереосцену (звуковую сцену), поскольку источник звука в стереоканале — всего один и он имеет минимальную площадь.
С другой стороны, простейшая колонка с широкополосником — самое дешевое решение, но говорить о полнодиапазонном воспроизведении в этом случае не приходится.
Твитер
Понятно, что, если трудно воспроизвести весь диапазон одним излучателем, есть смысл разделить этот диапазон на несколько частот, в каждой из которых будет работать отдельный динамик. За верхние частоты в этом случае отвечает твитер (пищалка).
Этот динамик должен иметь диффузор (мембрану) небольшой площади, но достаточно жесткий и максимально легкий, ведь полоса излучения твитера, в большинстве случаев, не ниже 1,5 кГц. Среди динамиков наибольшее распространение получил купольный твитер. В нем центральное тело диффузора или элемент, который в полноразмерном динамике называется пылезащитным колпачком, занимает практически всю площадь излучающей поверхности.
Твитер колонки Apple HomePod
Мембрану купольного твитера чаще всего делают из ткани с пропиткой, повышающей ее жесткость. Применяют и более жесткие материалы, лучшим из которых по праву считается бериллий.
Важный параметр твитера — это частота его собственного резонанса. Разработчики стремятся к тому, чтобы она находилась ниже полосы его воспроизведения. В этом случае пищалка звучит максимально точно. Дело в том, что на частотах, близких к резонансу, комплекс усилитель-динамик начинает работать некорректно, «идет в разнос», и система становится плохо управляемой.
Результат — искажения, причем в той частотной области, в которой наш слух к ним особенно чувствителен. Выход оказался прост: кроссовер — устройство, ограничивающее частотный диапазон работы твитера, «обрезает» частоты его собственного резонанса, расположенные ниже рабочего диапазона твитера, который начинается, как правило, от 2–3 кГц.
Твитер с алмазной мембраной Seas Excel E0100-04
Второе требование к твитеру — повышенная верхняя граничная частота воспроизведения. В оптимальном случае она должна превосходить верхний частотный порог слышимого диапазона, т.е. быть выше 20 кГц. Казалось бы, зачем выше, если на этих частотах мы уже не слышим ничего?
Расширенный вверх предел частотного диапазона позволяет твитеру воспроизводить так называемые верхние гармоники, формируя максимально точное звучание высоких частот. До какого предела должен иметь возможность работать твитер — а зачастую высказываются мнения о величинах в 40, а то и в 60 кГц — вопрос, являющийся предметом дискуссий.
Названные два требования к конструкции твитера являются взаимоисключающими. Для понижения резонанса необходимо делать мембрану большего размера и веса, а для повышения верхней границы АЧХ — наоборот. Выход — максимальное соотношение жесткости и массы мембраны твитера, за которое и идет технологическая борьба.
Среднечастотный динамик
Динамик, который играет средние частоты (его еще иногда называют мидренч или, правильнее, мидрейндж — этот термин, от английского midrange speaker, пришел из автозвука), обычно наиболее близок по конструкции к классическому динамику. Важно, что этот динамик воспроизводит именно тот диапазон частот, в котором располагается человеческий голос и на котором наш слух особенно чувствителен к искажениям.
Пример поведения динамика, замеры получены лазерным интерферометром
Ахиллесовой пятой среднечастотника является эффект появления специфических деформаций диффузора — так называемой изгибной волны, когда периферическая область диффузора не успевает за движениями центральной зоны, где крепится голосовая катушка. То есть разные зоны диффузора (кстати, расположенные, как правило, пятнами, а не концентрически, как следовало бы из логики процесса) колеблются не синфазно — одни участки отстают от других.
Звучание становится «рыхлым», неточным. Значит, диффузор должен быть максимально жестким. Если решать проблему в лоб — получим действительно жесткий диффузор, который будет весить так много, что не сможет звучать. Поэтому, как и в твитере, и в широкополоснике, в конструкции диффузора заложен сложнейший компромисс — между жесткостью и легкостью.
Среднечастотный драйвер Morel SCM 634 с карбоновым диффузором
Для колонок высокого класса конструкция диффузоров — важнейший момент. В экзотических вариантах среднечастотники (так же, как и твитеры, но гораздо реже) получают диффузор из бериллия. Но гораздо чаще в среднечастотниках можно видеть диффузоры из композитных материалов на базе углеволокна, стекловолокна, кевлара, древесного волокна или классической целлюлозы.
НЧ-драйвер
Низкочастотный динамик часто еще называют вуфером. Для практически любого класса акустических систем вуфер, естественно, является самым большим по площади излучателем. Для низкочастотника предпочтительным является полностью поршневой режим работы, когда диффузор движется возвратно-поступательно, как единое целое.
Здесь проблема решается еще более радикально, чем в случае со среднечастотным драйвером. Диффузор делают максимально жестким, даже за счет его утяжеления. Дело в том, что на низких частотах наш слух наименее чувствителен к искажениям. И в случае, когда для диффузора вуфера прежде всего важна амплитуда колебаний, ради жесткости идут на увеличение веса.
24-дюймовый басовый динамик в сабвуфере Pro Audio Technology
Масса подвижной системы многих крупных сабвуферных динамиков может достигать 200 г и более. Диффузоры в некоторых случаях получают пространственную конструкцию наподобие самолетного крыла из многослойного композита с заполнением внутренних полостей легкими ячеистыми или сотовыми структурами.
Для аудиофильских систем массу диффузора низкочастотного драйвера по-прежнему стараются минимизировать, поскольку натренированный слух не любит низкочастотных искажений, равно как и всех остальных.
Причем амплитуда колебаний у вуферов — самая большая среди всех перечисленных динамиков. Для этого они оснащаются так называемой длинноходовой (удлиненной) голосовой катушкой. Внешний подвес делается из резины. Все это позволяет диффузору иметь очень большую экскурсию — так называют смещение диффузора от центральной точки.
18-дюймовый басовый вуфер JBL
Особенно ярко «порода» низкочастотного динамика проявляется в драйверах, которые устанавливаются в сабвуферы. Это тяжелое, мощное устройство диаметром от 8 до 15 дюймов (наиболее часто применяемый в пользовательской АС диапазон размеров). Они имеют очень мощные магнитные системы и, в связи с этим, немалый общий вес. При этом в низкочастотных драйверах, работающих от мощных полупроводниковых усилителей, часто устанавливаются катушки минимального сопротивления — 2, а то и 1 Ом.
Коаксиальные драйверы
В двух- трехполосной колонке твитер, среднечастотник и низкочастотный динамик устанавливаются отдельно, то есть, они разнесены в пространстве. Это является серьезным недостатком. Наш слух, который легко определяет направление на источник звука, бывает обманут тем, что средние частоты и высокие частоты поступают практически из разных точек.
Направление на низкочастотный излучатель определить труднее, но тем не менее его удаленность также вносит свою лепту. В результате, такая геометрия колонки ухудшает восприятие стереообраза.
Строение коаксиального драйвера KEF UniQ
Широкополосный динамик, о котором написано выше, просто в силу физики процесса имеет ограничения как по максимальной мощности, так и по частотному диапазону. Кроме того, для широкополосного динамика неизбежна высокая неравномерность АЧХ (выше 10–20 дБ), которую практически невозможно, да и нет смысла компенсировать электроникой либо акустическим оформлением.
Выходом из этой ситуации стал коаксиальный драйвер. На первый взгляд, такой совмещенный динамик выглядит достаточно просто. В двухполосном варианте твитер расположен в центре низкочастотного динамика — традиционные размеры пищалок вполне для этого подходят. Но с инженерной точки зрения такая конфигурация резко затрудняет разработку (расчет) и изготовление подобной системы.
Коаксиальный динамик TAD CST
И это отражается на ее стоимости. Есть варианты, которые позволяют упростить конструкцию: например, размещение твитера перед низкочастотным диффузором на специальном креплении. И все-таки именно «полновесные» коаксиальные системы создают наиболее точный стереоэффект. Поэтому во все времена разные разработчики и компании выпускали коаксиальные драйверы, которые присутствовали в составе их топовых систем.
Специализированные динамики
Воспроизведение звука в условиях, отличных от комнатных, требует применения динамиков, учитывающих эту специфику в свей конструкции. Динамики ландшафтного, шахтного, морского применения должны выдерживать повышенное содержание пыли, способной проникать в магнитный зазор, длительное солнечное излучение, повышенную влажность, воздействие морской соли и других негативных факторов. Для этого в конструкцию вносится серьезные изменения: выбираются материалы, защищаются уязвимые элементы.
Динамики наушников
Для наушников прежде всего пришлось разработать миниатюрные динамики: калибром от 6 до 12 мм для внутриканальных и до 50–60 мм максимум — для накладных моделей. В подавляющем большинстве случаев это широкополосные драйверы. Малый размер облегчает им задачу воспроизведения полного диапазона.
С другой стороны, производство осложняется именно минимальными размерами. Чаще всего диффузор такого динамика сделан из синтетического материала, хотя целлюлоза и другие натуральные волокнистые материалы тоже могут присутствовать. Ввиду требований компактности и низкого веса именно в наушниках наиболее часто используются неодимовые магниты, благодаря которым динамики могут демонстрировать высокую чувствительность — до 120 дБ и выше.
Динамик наушников Apple EarPods
Специфика применения требует, чтобы динамики наушников имели повышенное сопротивление. И если звуковые катушки динамиков акустических систем имеют сопротивление от 2 до 16 Ом (чаще всего от 4 до 8), то динамики наушников имеют сопротивление не ниже 16 Ом, а максимальное значение может достигать 600–800 Ом для профессиональных моделей.
В отдельных моделях наушников, даже внутриканальных, могут использоваться раздельные динамики для разных полос частот — но это редкий случай. Чаще встречается совместное применение излучателей разных типов — динамических и арматурных.
Другие материалы цикла «Акустические системы»:
Разбираем типичные проблемы мидбасового диапазона в «эстрадных» динамиках на примере Edge EDPRO6BP-E8 и Edge EDPRO8BP-E8
Обычно я скептически отношусь к выражениям вроде «эстрадные мидбасовые динамики». Ну какой нафиг мидбас, если в подавляющем большинстве случаев «эстрада» – это чистейшие среднечастотники, а при попытке отпустить их играть пониже начинают, пардон, «пускать петуха» или перекрикивать орущими средними частотами всё остальное? Исключения из этого правила крайне редки, но всё же бывают.
ПОЧЕМУ «ЭСТРАДНЫЕ» ДИНАМИКИ ТАК СЛОЖНО ЗАСТАВИТЬ РАБОТАТЬ В МИДБАСОВОМ ДИАПАЗОНЕ?
Мидбас – это самая больная (хотел написать «большая», но с такой опечаткой получилось даже лучше) проблема большинства «эстрадных» систем. Давайте разберём, почему автомобильной «эстраде» так тяжело даётся этот диапазон.
Для начала нужно понимать, что чем ниже частота, тем больший объём воздуха нужно «двигать» динамику для получения одной и той же громкости. Это физика. Сделать это можно только двумя способами – или увеличивать площадь диффузора, или увеличивать его ход.
На самом деле есть и третий способ – поставить динамик в корпус с фазоинвертором, и тогда в мидбасовом диапазоне в работу включится порт. Такое акустическое оформление широко используется, например, в сценических аудиомониторах. Но для машины в большинстве случаев нужно, чтобы динамики играли тупо при установке в двери, мало кто городит для них специальные корпуса. Так что этот вариант в нашем случае, к сожалению, обречён на провал.
Остаётся выбирать что увеличивать – размер диффузора или его ход. Но более крупный динамик имеет и более тяжёлую подвижную систему. Для сабвуферов это ещё нормально, потому что им не нужно забираться высоко по частоте. А вот для НЧ/СЧ динамиков – не очень, потому что они должны уметь работать ещё и на средних частотах, а там диффузор должен двигаться гораздо быстрее.
Первый вывод. Чтобы автомобильный «эстрадный» динамик хоть как-то забирался в мидбасовый диапазон, оставаясь при этом жизнеспособным на средних частотах, он должен иметь, как минимум, достаточный для этого ход диффузора. И главную роль в этом играют совсем не подвесы, а длина намотки звуковой катушки.
Теперь пару слов о параметрах. Точнее – об электрической добротности Qes. С одной стороны, её низкое значение – это хорошо, потому что это означает хороший «держак» динамика, мотор не отпускает диффузор болтаться как известный продукт в проруби.
С другой стороны, чем ниже добротность, тем более пологой получается АЧХ динамика – его отдача в мидбасовой области сильно падает. Что толку, если точный и чёткий мидбас не будет слышно за орущим среднечастотным диапазоном?
Вот тут как раз и нужно бы «подтянуть» отдачу динамика в мидбасовом диапазоне с помощью фазоинвертора. Но мы уже решили, что в машине с этим мало кто будет заморачиваться. А это значит, что низкая Qes для автомобильного «эстрадного» НЧ/СЧ динамика – не такое уж и подходящее решение. По крайней мере, в двухполосных системах, когда от динамика ожидается работа и на мидбасе, и на СЧ одновременно.
Компромисс для двухполосных систем – Qes порядка 0,7. В этом случае при обычной дверной установке и отдача на мидбасе не пострадает, и электрический «держак» у динамика хоть какой-то ещё будет сохраняться.
НА КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ
Теперь, собственно, конкретный живой пример, который как раз и стал поводом собрать все эти мысли воедино. Эти динамики я видел ещё на стадии прототипов, но сесть за статью решил уже после того, как они пошли в серию. Как обычно у Edge, они имеют длиннющие многобуквенные индексы EDPRO6BP-E8 (6.5 дюймов) и EDPRO8BP-E8 (8 дюймов).
На деле они оказались редкими представителями «эстрады», которые имеют все признаки универсальных динамиков – могут работать в классических системах в мидбасовом (да-да, они умеют играть мидбас) звене и при желании позволяют жёстко «навалить волюмэ».
С виду ничто не выдаёт в них каких-то особенных мидбасовых способностей. Оба динамика имеют диффузоры, почти традиционные для обычной «эстрады» – целлюлоза средней плотности. Ну, может, чуть поплотнее и пожёстче привычного.
Конусы диффузоров тут глубже, чем обычно принято делать. Это сделано по двум причинам. Во-первых, для жёсткости – при прочих равных глубокие диффузоры меньше «ломает» во время работы динамика. Во-вторых, из-за крупных звуковых катушек. А они здесь имеют просто ломовые размеры – аж целых 2.5 дюйма у 6.5-дюймовой модели и 3 дюйма у 8-дюймовой.
Узнать точную длину намотки катушек не удалось, но судя по тому, что я подсмотрел через отверстия под фланцем центрирующей шайбы у 6.5-дюймовой модели, линейный ход диффузора составляет что-то около 3 мм в каждую сторону (получается около 6 мм от края до края). Конечно, не сабвуфер, но предпосылки к работе на мидбасе уже вполне достаточные.
Магнитные системы немаленькие: 128 мм для 6.5-дюймового Edge EDPRO6BP-E8 и 155 мм для 8-дюймового Edge EDPRO8BP-E8. Но при столь гигантских (для «эстрадных» НЧ/СЧ динамиков) диаметрах звуковых катушек вряд ли могло быть иначе.
Похоже, динамик сделан с толком, а не просто как конструктор собран из первых попавшихся и подходящих по размеру элементов. Смотрим и анализируем параметры:
Измеренные параметры Edge EDPRO6BP-E8:
Fs (собственная резонансная частота) – 78 Гц
Vas (эквивалентный объем) – 6,2 л
Qms (механическая добротность) – 5,97
Qes (электрическая добротность) – 0,74
Qts (полная добротность) – 0,66
Mms (эффективная масса подвижной системы) – 16 г
BL (коэффициент электромеханической связи) – 6,0 Тл м
Re (сопротивление звуковой катушки постоянному току) – 3,3 Ом
dBspl (опорная чувствительность, 1м, 1Вт) – 88,1 дБ
Измеренные параметры Edge EDPRO8BP-E8:
Fs (собственная резонансная частота) – 79 Гц
Vas (эквивалентный объем) – 9,3 л
Qms (механическая добротность) – 8,39
Qes (электрическая добротность) – 0,81
Qts (полная добротность) – 0,73
Mms (эффективная масса подвижной системы) – 27 г
BL (коэффициент электромеханической связи) – 7,6 Тл м
Re (сопротивление звуковой катушки постоянному току) – 3,4 Ом
dBspl (опорная чувствительность, 1м, 1Вт) – 89,7 дБ
В конструкции моторов явно присутствует кольцо Фарадея (оно же – короткозамкнутый виток). В прошлых тестах я уже рассказывал о том, для чего оно нужно и как работает, поэтому сейчас скажу коротко – кольцо Фарадея как бы «компенсирует» индуктивность звуковой катушки, и на высоких частотах усилитель начинает «видеть» динамик почти как обычный резистор (обратите внимание на графики чуть выше – с ростом частоты импеданс почти не лезет вверх, как это бывает у обычных динамиков). Как результат – динамик имеет более высокую отдачу на СЧ/ВЧ, да ещё и искажения при этом уменьшаются.
Есть, конечно, и минусы, и один из них – это увеличение электрической добротности (иными словами, ухудшается электрический «держак» мотора). Но если параметры кольца подобраны умело, то его можно использовать как инструмент для коррекции Qes. В нашем случае им подогнали значение добротности как раз к нужной величине, о которой как раз говорил чуть выше.
Оба динамика начинают уверенно работать достаточно низко для «эстрады», и при этом неплохо чувствуют себя наверху. Их можно спокойно использовать в двухполосных системах. Под углом к динамикам АЧХ становится корявой, но при таких глубоких диффузорах этого и следовало ожидать. Впрочем, для «эстрады» работа динамика под углом не столь важна.
Не скажу, что диффузоры ведут себя идеально при работе динамиков, но откровенной «ломки», как это иногда бывает, удалось избежать. Опять же спасибо их форме и здоровенным колпакам.
С искажениями на верхнем мидбасе и СЧ дела обстоят типично для «эстрады», но тут самое главное, что гадкая третья гармоника нигде не пытается вылезти на первый план. А вот с повышением частоты отчасти начинает сказываться влияние кольца Фарадея – искажения не просто снижаются, а получаются даже немного ниже, чем обычно приходится видеть в традиционных конструкциях «эстрады».
КАК СТАВИТЬ И НАСТРАИВАТЬ?
Чтобы не ударяться снова в теорию, вот вам готовый рецепт, как использовать возможности этих динамиков по полной и получить по-настоящему универсальную систему – и для обычного повседнева (наконец-то с нормально звучащим мидбасовым диапазоном), и для «наваливания волюмэ на поляну».
Ставим по два динамика в каждую дверь (неважно, 6.5 или 8 дюймов, главное, чтобы одного размера). Про твитеры не говорю, их выбираем по вкусу, но одной пары для четырёх мидбасовых Edge будет достаточно.
Подбираем 4-канальный усилитель, способный выдать в каждый канал по 200-300 Вт на 2 Ом. Обязательное условие – либо усилитель, либо головное устройство должны иметь фильтры для поканалки (с возможность резать не ниже 7 кГц). Я бы выбрал второй вариант, в таких ГУ обычно ещё и задержки есть.
В каналах НЧ/СЧ подрезаем сигнал сверху на 5-6 кГц (за счёт горба на АЧХ динамики по факту будут доигрывать немного выше). В каналах твитеров подрезаем сигнал снизу на 7-10 кГц – при такой частоте твитеры лучше «срастутся» с динамиками.
В обычном «повседневе», когда вы просто катаетесь на машине, НЧ/СЧ динамики можно спокойно подрезать снизу на 60-80 Гц, на обычной и даже повышенной громкости они будут чувствовать себя нормально. Когда же нужно совсем «сорвать башню» громкостью, перестраиваете фильтр выше – вплоть до 150-200 Гц. Просто следите при этом за ходом диффузора, чтобы он оставался в небольших пределах.
Я уже давно планировал собрать мысли по поводу проблем с мидбасом в «эстрадных» системах, и Edge как-то удачно для этого подвернулись. На самом деле некоторые «эстрадные» динамики вполне умеют играть мидбас, но делают это либо только в фазоинверторном оформлении (что для машины не слишком удобно), либо только в составе трёхполосных систем.
Здесь же получается исключение из правила – мы можем ставить динамики в двери, нам не нужны дополнительные среднечастотники, и при этом мы не получаем типичную «мидбасовую дырку» между СЧ динамиками (которые не умеют играть низко) и сабвуфером (который слишком тяжёл, чтобы дотягивать до СЧ).
В общем, если вы не готовы к «бразильским стенам» или к увешиванию орущими динамиками всех калиток до отказа, а хотите получить просто очень громкую универсальную систему, эти модели динамиков очень даже достойны внимания. Несмотря на свою «эстрадную» сущность и способность переваривать дикую мощность (с такими-то катушками), они могут нормально работать и в классических системах тоже.